Neue, von der Natur inspirierte Konzepte zur Umwandlung von Kohlendioxid in saubere Kraftstoffe

Forscher haben ein effizientes Konzept entwickelt, um Kohlendioxid ohne unerwünschte Nebenprodukte oder Abfälle in saubere, nachhaltige Kraftstoffe umzuwandeln.

Die Forscher der University of Cambridge haben zuvor gezeigt, dass biologische Katalysatoren oder Enzyme Kraftstoffe sauber unter Verwendung erneuerbarer Energiequellen herstellen können, jedoch mit geringer Effizienz.

Ihre neueste Forschung hat die Effizienz der Kraftstoffproduktion in einer Laborumgebung um das 18-fache verbessert und gezeigt, dass umweltschädliche Kohlenstoffemissionen effizient und ohne Energieverschwendung in grüne Kraftstoffe umgewandelt werden können. Die Ergebnisse werden in zwei verwandten Artikeln in berichtet Naturchemie und Proceedings of the National Academy of Sciences.

Bei den meisten Verfahren zur Umwandlung von CO2 in Kraftstoff entstehen auch unerwünschte Nebenprodukte wie Wasserstoff. Wissenschaftler können die chemischen Bedingungen ändern, um die Wasserstoffproduktion zu minimieren, aber dies verringert auch die Leistung für die CO2-Umwandlung: So kann sauberer Kraftstoff produziert werden, aber auf Kosten der Effizienz.

Der in Cambridge entwickelte Machbarkeitsnachweis stützt sich auf Enzyme, die aus Bakterien isoliert wurden, um die chemischen Reaktionen anzutreiben, die CO2 in Kraftstoff umwandeln, ein Prozess namens Elektrolyse. Enzyme sind effizienter als andere Katalysatoren wie Gold, aber sie reagieren sehr empfindlich auf ihre lokale chemische Umgebung. Wenn die lokale Umgebung nicht genau richtig ist, fallen die Enzyme auseinander und die chemischen Reaktionen laufen langsam ab.

Die Cambridge-Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem Team der Universidade Nova de Lisboa in Portugal eine Methode entwickelt, um die Effizienz der Elektrolyse zu verbessern, indem sie die Lösungsbedingungen feinabstimmen, um die lokale Umgebung der Enzyme zu verändern.

„Enzyme haben sich über Millionen von Jahren entwickelt, um extrem effizient und selektiv zu sein, und sie eignen sich hervorragend für die Kraftstoffproduktion, da keine unerwünschten Nebenprodukte entstehen“, sagte Dr. Esther Edwardes Moore vom Yusuf Hamied Department of Chemistry in Cambridge. Erstautor der PNAS Papier. „Die Empfindlichkeit von Enzymen wirft jedoch andere Herausforderungen auf. Unsere Methode trägt dieser Empfindlichkeit Rechnung, sodass die lokale Umgebung an die idealen Arbeitsbedingungen des Enzyms angepasst wird.“

Die Forscher verwendeten Computermethoden, um ein System zur Verbesserung der Elektrolyse von CO2 zu entwerfen. Mit dem enzymbasierten System stieg die Kraftstoffproduktion um das 18-fache im Vergleich zur aktuellen Benchmark-Lösung.

Um die lokale Umwelt weiter zu verbessern, zeigte das Team, wie zwei Enzyme zusammenarbeiten können, von denen eines Kraftstoff produziert und das andere die Umwelt kontrolliert. Sie fanden heraus, dass die Zugabe eines weiteren Enzyms die Reaktionen beschleunigte, sowohl die Effizienz erhöhte als auch unerwünschte Nebenprodukte reduzierte.

„Am Ende hatten wir genau den Kraftstoff, den wir wollten, ohne Nebenprodukte und nur geringfügige Energieverluste, wodurch saubere Kraftstoffe mit maximaler Effizienz hergestellt wurden“, sagte Dr. Sam Cobb, Erstautor des Naturchemie Papier. „Indem wir uns von der Biologie inspirieren lassen, wird es uns helfen, bessere synthetische Katalysatorsysteme zu entwickeln, die wir brauchen, wenn wir die CO2-Elektrolyse in großem Maßstab einsetzen wollen.“

„Die Elektrolyse spielt eine große Rolle bei der Reduzierung der Kohlenstoffemissionen“, sagte Professor Erwin Reisner, der die Forschung leitete. „Anstatt CO2 abzuscheiden und zu speichern, was unglaublich energieintensiv ist, haben wir ein neues Konzept demonstriert, um Kohlenstoff abzuscheiden und auf energieeffiziente Weise etwas Nützliches daraus zu machen.“

Die Forscher sagen, dass das Geheimnis für eine effizientere CO2-Elektrolyse in den Katalysatoren liegt. In den letzten Jahren gab es große Fortschritte bei der Entwicklung synthetischer Katalysatoren, aber sie bleiben immer noch hinter den in dieser Arbeit verwendeten Enzymen zurück.

„Sobald es Ihnen gelingt, bessere Katalysatoren herzustellen, verschwinden viele der Probleme mit der CO2-Elektrolyse einfach“, sagte Cobb. „Wir zeigen der wissenschaftlichen Gemeinschaft, dass wir, sobald wir Katalysatoren der Zukunft herstellen können, in der Lage sein werden, viele der derzeit eingegangenen Kompromisse zu beseitigen, da das, was wir von Enzymen lernen, auf synthetische Katalysatoren übertragen werden kann.“

„Sobald wir das Konzept entworfen hatten, war die Leistungssteigerung verblüffend“, sagte Edwardes Moore. „Ich war besorgt, dass wir Jahre damit verbringen würden, zu verstehen, was auf molekularer Ebene vor sich geht, aber als wir den Einfluss der lokalen Umgebung wirklich erkannten, entwickelte er sich sehr schnell.“

„In Zukunft wollen wir das Gelernte nutzen, um einige herausfordernde Probleme anzugehen, mit denen die aktuellen Katalysatoren auf dem neuesten Stand der Technik zu kämpfen haben, wie z wirklich glänzen“, sagte Cobb.