环境及气候
DNA“粘合剂”助力高效转化二氧化碳
DNA 催化剂将二氧化碳转化为一氧化碳的效率翻倍，有望用于工业减排
麻省理工学院的化学工程师们设计了一种有效的方法将二氧化碳转化为一氧化碳，这种化学原料可以用于生产乙醇和其他燃料等有用化合物。
如果该工艺能大规模用于工业生产，它将有助于减少发电厂和其他排放源释放的二氧化碳，从而降低大气中的温室气体含量。
“这项技术可以从排放物或海洋溶解物中获取二氧化碳，并将其转化为可盈利的化学品。这确实是一条实现脱碳化的途径，因为我们可以将温室气体 CO₂ 转化为对化学制造有用的物质，” 研究的资深作者、麻省理工学院化学工程系 Paul M. Cook 职业发展助理教授 Ariel Furst 说。
这种新方法利用电能进行化学转化，并借助一种由 DNA 链将催化剂系缚在电极表面的技术。DNA 像魔术贴一样，使所有反应成分紧密结合，从而使反应效率远高于所有成分都漂浮在溶液中的情况。
Furst 创立了一家名为 Helix Carbon 的公司，进一步开发这项技术。麻省理工学院前博士后研究员 Gang Fan 是这篇论文的主要作者，该论文发表在《美国化学会期刊》上。其他作者包括 Nathan Corbin 博士 (2021 届)、Minju Chung 博士 (2023 届)、麻省理工学院前博士后研究员 Thomas Gill 和 Amruta Karbelkar，以及 Evan Moore (2023 届)。
分解二氧化碳
将二氧化碳转化为有用产品首先需要将其转化为一氧化碳。一种方法是使用电能，但这种电催化所需的能量成本高得令人望而却步。
为了降低成本，研究人员尝试使用电催化剂，它可以加速反应并减少需要添加到系统中的能量。一种用于这种反应的催化剂是一类称为卟啉的分子，它们包含铁或钴等金属，其结构类似于血液中携带氧气的血红素分子。
在这类电化学反应中，二氧化碳溶解在电化学装置内的水中，该装置包含一个驱动反应的电极。催化剂也悬浮在溶液中。然而，这种装置的效率不高，因为二氧化碳和催化剂需要在电极表面相遇，但这种情况发生的频率很低。
为了使反应更频繁发生，从而提高电化学转化的效率，Furst 开始研究将催化剂附着在电极表面的方法。DNA 似乎是这项应用的理想选择。
她说：“DNA 相对便宜，可以进行化学修饰，并且可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用。它就像一种序列特异性的魔术贴，具有非常强但可逆的相互作用，你可以控制它。”
为了将单链 DNA 附着到碳电极上，研究人员使用了两个“化学柄”，一个位于 DNA 上，另一个位于电极上。这些柄可以相互卡合，形成永久键。然后将互补的 DNA 序列连接到卟啉催化剂上，这样当催化剂添加到溶液中时，它会可逆地结合到已经附着在电极上的 DNA 上 - 就如同魔术贴一样。
一旦建立了这个系统，研究人员就会向电极施加电势 (或偏压)，催化剂利用这种能量将溶液中的二氧化碳转化为一氧化碳。反应还会产生少量氢气，来自水。催化剂失效后，可以通过加热系统破坏两条 DNA 链之间的可逆键将其从表面释放，并用新的催化剂替换。
高效反应
研究人员使用这种方法将反应的法拉第效率提高到 100%，这意味着进入系统的电能完全用于化学反应，没有能量浪费。当催化剂没有被 DNA 束缚时，法拉第效率只有约 40%。
Furst 说，这项技术可以很容易地用于工业生产，因为研究人员使用的碳电极比传统的金属电极便宜得多。催化剂也便宜，因为它们不包含任何贵金属，并且电极表面只需要少量催化剂。
研究人员计划通过更换不同的催化剂，尝试使用这种方法生产其他产品，例如甲醇和乙醇。Furst 创立的 Helix Carbon 公司也在进一步开发这项技术，以便其潜在商业化应用。