Новый подход, описанный в Природный катализ, могло бы помочь продвинуть безуглеродные альтернативы ископаемым видам топлива, связанным с глобальным потеплением и изменением климата.

Эта работа также является первой демонстрацией устройства, имитирующего то, как эти бактерии естественным образом синтезируют ацетат из электронов и CO_2.

"Что удивительно, так это то, что мы научились избирательно превращать углекислый газ в ацетат, имитируя то, как эти маленькие микроорганизмы делают это естественным путем", - сказал старший автор Пейдонг Янг, который имеет звание старшего научного сотрудника факультета материаловедения Лаборатории Беркли и профессора химии, материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Беркли. "Все, что мы делаем в моей лаборатории, чтобы преобразовать CO₂ создание полезных продуктов вдохновлено природой. С точки зрения смягчения СО₂ выбросы и борьба с изменением климата - это часть решения".

На протяжении десятилетий исследователям было известно, что метаболический путь у некоторых бактерий позволяет им переваривать электроны и CO₂ для получения ацетата происходит реакция, приводимая в действие электронами. Путь обрывается СО₂ молекулы распадаются на две разные или "асимметричные" химические группы: карбонильную группу (CO) или метильную группу (CH₃). Ферменты в этом пути реакции превращают углерод в CO и CH₃ для связывания или "спаривания", которое затем запускает другую каталитическую реакцию, в результате которой в качестве конечного продукта образуется ацетат.

Исследователи в области искусственного фотосинтеза хотели разработать устройства, имитирующие химию этого пути - так называемую асимметричную углерод-углеродную связь, - но найти синтетические электрокатализаторы, которые работают так же эффективно, как естественные ферментативные катализаторы бактерий, было непросто.

"Но мы подумали, что если эти микроорганизмы могут это делать, то нужно уметь имитировать их химию в лаборатории", - сказал Янг.

Продвижение искусственного фотосинтеза с помощью жадной до углерода меди

Способность меди превращать углерод в различные полезные продукты была впервые обнаружена в 1970-х годах. Основываясь на этих предыдущих исследованиях, Янг и его команда пришли к выводу, что устройства искусственного фотосинтеза, оснащенные медным катализатором, должны быть способны преобразовывать CO₂ и воду на метильные и карбонильные группы, а затем превращают эти продукты в ацетат. Итак, для одного эксперимента Янг и его команда разработали модель устройства с медной поверхностью; затем они подвергли поверхность меди воздействию жидкого йодистого метила (CH₃I) и газообразный CO и применил электрическое смещение к системе.

Исследователи выдвинули гипотезу, что CO будет прилипать к поверхности меди, вызывая асимметричную связь CO и CH₃ группы для получения ацетата. Меченный изотопом CH₃Меня использовали в экспериментах для того, чтобы отслеживать ход реакции и конечные продукты. (Изотоп - это атом, в ядре которого больше или меньше нейтронов (незаряженных частиц), чем в других атомах элемента.)

И они были правы. Химико-аналитические эксперименты, проведенные в лаборатории Янга в Калифорнийском университете в Беркли, показали, что при соединении карбонильных и метильных групп меди образуется не только ацетат, но и другие ценные жидкости, включая этанол и ацетон. Изотопное отслеживание позволило исследователям подтвердить, что ацетат образовался в результате сочетания CO и CH₃.

В другом эксперименте исследователи синтезировали ультратонкий материал из раствора наночастиц меди и серебра, каждая из которых имела диаметр всего 7 нанометров (миллиардные доли метра). Затем исследователи разработали еще одну модель устройства, на этот раз покрытую слоем материала толщиной в наночастицы.

Как и ожидалось, электрическое смещение вызвало реакцию, заставившую наночастицы серебра преобразовывать CO₂ в карбонильную группу, в то время как наночастицы меди превращали CO₂ в метильную группу. Последующие анализы в лаборатории Янга показали, что другая реакция (желанная асимметричная связь) между CO и CH₃ синтезированные жидкие продукты, такие как ацетат.

Благодаря экспериментам с электронной микроскопией на Молекулярном литейном заводе исследователи узнали, что наночастицы меди и серебра находятся в тесном контакте друг с другом, образуя тандемные системы, и что наночастицы меди служили каталитическим центром для асимметричной связи.

Янг сказал, что эти наночастицы меди и серебра потенциально могут быть соединены со светопоглощающими кремниевыми нанопроволоками при разработке эффективных систем искусственного фотосинтеза в будущем.

В 2015 году Янг стал соавтором исследования, в котором была продемонстрирована система искусственного фотосинтеза, состоящая из полупроводниковых нанопроводов и бактерий, использующих энергию солнечного света для производства ацетата из углекислого газа и воды. Это открытие имело значительные последствия для растущей области, в которой исследователи потратили десятилетия на поиск наилучших химических реакций для получения высоких выходов жидких продуктов из CO₂.

Новое исследование развивает эту более раннюю работу, демонстрируя синтетический электрокатализатор - наночастицы меди и серебра, - который "четко имитирует то, что делают бактерии для получения жидких продуктов из CO₂, - сказал Янг. "Нам еще предстоит проделать большую работу по его улучшению, но мы в восторге от его потенциала для продвижения искусственного фотосинтеза".

В исследовании приняли участие исследователи из Лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли.

Эта работа была поддержана Управлением науки Министерства здравоохранения.

Молекулярный литейный цех - это пользовательское подразделение Министерства образования и науки США в лаборатории Беркли.