Nanoskalige Materialien, die Enzyme imitieren, könnten CO₂ in grundlegende chemische Elemente umwandeln

James Crawford, Forscher an der Montana State University, veröffentlichte kürzlich eine gemeinsame Arbeit mit dem National Renewable Energy Laboratory, die einen weiteren Schritt auf ihrer Suche nach dem darstellt, was er den „heiligen Gral“ der Chemie nennt: die Umwandlung von Kohlendioxid, einem Treibhausgas, in Chemikalien Elemente, die zur Herstellung unzähliger anderer Materialien verwendet werden könnten.

Dieser Artikel mit dem Titel „Hochselektive reaktive Kohlendioxidabscheidung auf Materialien auf Dualfunktions-Zeolithbasis“ wurde in der Zeitschrift veröffentlicht ACS-KatalyseAuf dem Cover der Zeitschrift ist eine Darstellung des Kohlendioxidumwandlungsprozesses im atomaren Maßstab abgebildet.

„Wir konnten Kohlendioxid erfolgreich einfangen und mithilfe funktionalisierter mikroporöser Materialien in Methan und Kohlenmonoxid umwandeln“, sagte Crawford, Assistenzprofessor für Chemie- und Biotechnik am Norm Asbjornson College of Engineering der MSU. „Methan ist eine alternative Energiequelle, die mit der bestehenden Erdgasinfrastruktur kompatibel ist. Kohlenmonoxid hat einen schlechten Ruf, erweist sich aber als unverzichtbares Reagens bei der Herstellung synthetischer Kraftstoffe und Chemikalien. »

Das Element Kohlenstoff kommt in allen Lebewesen vor. Es ist das zweithäufigste Element im menschlichen Körper und das vierthäufigste im Universum. Es kommt in Biokraftstoffen, Chemikalien, Textilien und Baumaterialien vor. Es ist auch ein Titelelement von Kohlendioxid, allgemein bekannt als CO₂was weniger als 1 % der Erdatmosphäre ausmacht. Dieses farb- und geruchlose Wärmespeichergas wird nicht nur vom Menschen ausgeatmet, sondern ist auch ein Nebenprodukt der Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Öl, Erdgas, Benzin und Kohle.

Bestehende Methoden zur Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre führen im Allgemeinen dazu, dass das Gas gespeichert wird, anstatt es in neue Produkte umzuwandeln.

„Wir versuchen, eine andere Möglichkeit zur CO-Abscheidung einzuführen₂ „Indem man es mit chemischen Bindungen festhält“, sagte Crawford, der auch dem Energy Research Institute und Center for Biofilm Engineering der MSU angehört. „Wenn man atmosphärische Gase wie Kohlendioxid und Wasser in Kohlenmonoxid und Wasserstoff umwandeln kann, kann man sie dann kombinieren, um nahezu jeden Kohlenwasserstoff herzustellen. »

Kohlenwasserstoffe sind organische Verbindungen, die vollständig aus Wasserstoff und Kohlenstoff bestehen und daher als Bausteine ​​für viele chemische Verbindungen und Materialien nützlich sind.

„Biologische Katalysatoren oder Enzyme recyceln seit Milliarden von Jahren atmosphärische Gase“, sagte er. „Meine Gruppe möchte mehr über Enzyme erfahren und ihre Funktion in robuste feste Katalysatoren kopieren. Dies würde ihren Einsatz in schwierigen industriellen Prozessen ermöglichen. »

Sein Team interessiert sich für Materialien, die CO selektiv ableiten können₂ Luft und ermöglichen Reaktionen, die die chemische Identität des Moleküls verändern. „Diese Katalysatoren müssen CO enthalten₂ „Anbindungsstellen sowie reaktive Strukturen, die eine chemische Rekonstruktion ermöglichen“, sagte Crawford.

Dafür sind Materialien mit anpassbaren Strukturen auf der Nanoskala erforderlich, deren Abmessungen im Milliardstelmeterbereich gemessen werden. Er interessiert sich insbesondere für zwei Materialien: Zeolithe, das sind keramikähnliche Materialien, und metallorganische Strukturen, bei denen Metallknoten mit organischen Bindemitteln verbunden sind. Beide Materialien verfügen über Mikroporen und eine chemische „Anpassungsfähigkeit“ zur Erzeugung von CO₂ Erfassungs- und Konvertierungsseiten.

„Wir erzeugen Zeolithe und metallorganische Gerüste im Labor mithilfe eines Prozesses, der Lösungsmittel, Hitze und Druck kombiniert, um die Bildung unserer Katalysatoren zu fördern“, sagte Crawford.

Aufbauend auf diesen neuen Technologien sagte Crawford, der einen Bachelor-Abschluss in Chemie- und Bioingenieurwesen an der MSU erwarb, bevor er an der Colorado School of Mines promovierte, er hofft, dass seine Forschung eines Tages zur Entwicklung effizienterer Nanokatalysatoren führen wird mit „ „biomimetische“ Eigenschaften, d. h. sie ahmen biologische Prozesse nach.

„Die Biologie hat viele dieser Dinge bereits herausgefunden“, sagte Crawford. „Wir stellen biomimetische Materialien her, die eines Tages in der Lage sein werden, CO zu kontrollieren₂ Umwandlungsprozess, um die Chemikalien zu erzeugen, die wir am meisten brauchen.