Wissenschaftler des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) haben eine neue Technik demonstriert, die einem in einigen Bakterien gefundenen Stoffwechselprozess nachempfunden ist, um Kohlendioxid (CO2) in flüssiges Acetat umzuwandeln, ein Schlüsselbestandteil bei der Herstellung von „flüssigem Sonnenlicht“ oder Solarbrennstoffen künstliche Photosynthese.
Der neue Ansatz, berichtet in Naturkatalysekönnte dazu beitragen, kohlenstofffreie Alternativen zu fossilen Brennstoffen im Zusammenhang mit der globalen Erwärmung und dem Klimawandel voranzutreiben.
Die Arbeit ist auch die erste Demonstration eines Geräts, das nachahmt, wie diese Bakterien auf natürliche Weise Acetat aus Elektronen und CO2 synthetisieren.
„Erstaunlich ist, dass wir gelernt haben, Kohlendioxid selektiv in Acetat umzuwandeln, indem wir nachahmten, wie es diese kleinen Mikroorganismen auf natürliche Weise tun“, sagte der leitende Autor Peidong Yang, der den Titel eines leitenden Fakultätswissenschaftlers in der Abteilung für Materialwissenschaften des Berkeley Lab und Professor für Chemie und Chemie innehat Materialwissenschaft und -technik an der UC Berkeley.
„Alles, was wir in meinem Labor tun, um CO2 in nützliche Produkte umzuwandeln, ist von der Natur inspiriert. In Bezug auf die Verringerung der CO2-Emissionen und die Bekämpfung des Klimawandels ist dies Teil der Lösung.“
Seit Jahrzehnten wissen Forscher, dass ein Stoffwechselweg in einigen Bakterien es ihnen ermöglicht, Elektronen und CO2 zu verdauen, um Acetat zu produzieren, eine Reaktion, die von den Elektronen angetrieben wird. Der Weg zerlegt CO2-Moleküle in zwei verschiedene oder „asymmetrische“ chemische Gruppen: eine Carbonylgruppe (CO) oder eine Methylgruppe (CH3). Enzyme in diesem Reaktionsweg ermöglichen es den Kohlenstoffen in CO und CH3, sich zu verbinden oder zu „koppeln“, was dann eine weitere katalytische Reaktion auslöst, die Acetat als Endprodukt produziert.
Forscher auf dem Gebiet der künstlichen Photosynthese wollten Geräte entwickeln, die die Chemie des Signalwegs nachahmen – genannt asymmetrische Kohlenstoff-Kohlenstoff-Kopplung –, aber die Suche nach synthetischen Elektrokatalysatoren, die so effizient wie die natürlichen enzymatischen Katalysatoren von Bakterien arbeiten, war eine Herausforderung.
„Aber wir dachten, wenn diese Mikroorganismen das können, sollte man in der Lage sein, ihre Chemie im Labor nachzuahmen“, sagte Yang.
Förderung der künstlichen Photosynthese mit kohlenstoffhungrigem Kupfer
Das Talent von Kupfer, Kohlenstoff in verschiedene nützliche Produkte umzuwandeln, wurde erstmals in den 1970er Jahren entdeckt. Basierend auf diesen früheren Studien argumentierten Yang und sein Team, dass künstliche Photosynthesegeräte, die mit einem Kupferkatalysator ausgestattet sind, in der Lage sein sollten, CO2 und Wasser in Methyl- und Carbonylgruppen umzuwandeln und diese Produkte dann in Acetat umzuwandeln.
Also entwarfen Yang und sein Team für ein Experiment ein Modellgerät mit einer Kupferoberfläche; Anschließend setzten sie die Kupferoberfläche flüssigem Methyliodid (CH3I) und CO-Gas aus und legten eine elektrische Vorspannung an das System an.
Die Forscher stellten die Hypothese auf, dass CO an der Kupferoberfläche haften bleiben und die asymmetrische Kopplung von CO- und CH3-Gruppen zur Bildung von Acetat auslösen würde. Isotopenmarkiertes CH3I wurde in den Experimenten verwendet, um den Reaktionsweg und die Endprodukte zu verfolgen. (Ein Isotop ist ein Atom mit mehr oder weniger Neutronen [uncharged particles] in seinem Kern als andere Atome eines Elements.)
Und sie hatten recht. Chemische Analyseexperimente, die in Yangs Labor an der UC Berkeley durchgeführt wurden, zeigten, dass die Paarung von Carbonyl- und Methylgruppen bei Kupfer nicht nur Acetat, sondern auch andere wertvolle Flüssigkeiten, einschließlich Ethanol und Aceton, produzierte. Durch die Isotopenverfolgung konnten die Forscher bestätigen, dass das Acetat durch die Kombination von CO und CH3 gebildet wurde.
In einem anderen Experiment synthetisierten die Forscher ein ultradünnes Material aus einer Lösung von Kupfer- und Silber-Nanopartikeln, die jeweils nur 7 Nanometer (Milliardstel Meter) Durchmesser hatten. Die Forscher entwarfen dann ein weiteres Modellgerät, dieses Mal mit dem dünnen Nanopartikelmaterial beschichtet.
Wie erwartet löste die elektrische Vorspannung eine Reaktion aus, die die Silber-Nanopartikel dazu veranlasste, CO2 in eine Carbonylgruppe umzuwandeln, während die Kupfer-Nanopartikel CO2 in eine Methylgruppe umwandelten. Nachfolgende Analysen im Yang-Labor zeigten, dass eine andere Reaktion (die begehrte asymmetrische Kopplung) zwischen CO und CH3 flüssige Produkte wie Acetat synthetisierte.
Durch Elektronenmikroskopie-Experimente in der Molecular Foundry erfuhren die Forscher, dass die Kupfer- und Silber-Nanopartikel in engem Kontakt miteinander stehen und Tandemsysteme bilden, und dass die Kupfer-Nanopartikel als katalytisches Zentrum für die asymmetrische Kopplung dienten.
Yang sagte, dass diese Kupfer-Silber-Nanopartikel beim zukünftigen Design effizienter künstlicher Photosynthesesysteme möglicherweise mit lichtabsorbierenden Silizium-Nanodrähten gekoppelt werden könnten.
Im Jahr 2015 war Yang Co-Leiter einer Studie, die ein künstliches Photosynthesesystem demonstrierte, das aus halbleitenden Nanodrähten und Bakterien besteht, die die Energie des Sonnenlichts nutzen, um Acetat aus Kohlendioxid und Wasser herzustellen. Die Entdeckung hatte erhebliche Auswirkungen auf ein wachsendes Gebiet, in dem Forscher Jahrzehnte damit verbracht haben, nach den besten chemischen Reaktionen zu suchen, um aus CO2 flüssige Produkte mit hoher Ausbeute herzustellen.
Die neue Studie bringt diese frühere Arbeit voran, indem sie einen synthetischen Elektrokatalysator – die Kupfer-Silber-Nanopartikel – demonstriert, der „eindeutig nachahmt, was Bakterien tun, um flüssige Produkte aus CO2 herzustellen“, sagte Yang. „Wir haben noch viel Arbeit vor uns, um es zu verbessern, aber wir sind begeistert von seinem Potenzial, die künstliche Photosynthese voranzutreiben.“
Mehr Informationen:
Chubai Chen et al, Untersuchung des bioanalogen asymmetrischen C-C-Kopplungsmechanismus in der Tandem-CO2-Elektroreduktion, Naturkatalyse (2022). DOI: 10.1038/s41929-022-00844-w