Nanomaterialen die enzymen nabootsen, kunnen CO₂ omzetten in chemische bouwstenen

Onderzoeker James Crawford van de Montana State University publiceerde onlangs een gezamenlijk artikel met het National Renewable Energy Laboratory, dat een stap voorwaarts markeert in hun zoektocht naar wat hij een “Heilige graal” van de scheikunde: het omzetten van het broeikasgas koolstofdioxide in chemische bouwstenen die gebruikt kunnen worden om talloze andere materialen te maken.

Dat papier, “Hoge selectiviteit van reactieve koolstofdioxide-afvang over zeoliet-dual-functionele materialen,” was gepubliceerd in het dagboek ACS-katalyseOp de voorkant van het tijdschrift staat een illustratie op atomaire schaal van het koolstofdioxide-omzettingsproces.

“We hebben met succes koolstofdioxide afgevangen en vervolgens omgezet in methaan en koolmonoxide met behulp van gefunctionaliseerde microporeuze materialen.” aldus Crawford, universitair docent chemische en biologische technologie aan het Norm Asbjornson College of Engineering van de MSU. “Methaan is een drop-in energiebron die compatibel is met bestaande aardgasinfrastructuur. Koolmonoxide heeft een slechte reputatie, maar blijkt een essentiële reactant te zijn bij het genereren van synthetische brandstoffen en chemicaliën.”

Het element koolstof is te vinden in alle levende wezens. Het is het op één na meest voorkomende element in het menselijk lichaam en het op drie na meest voorkomende element in het universum. Het is te vinden in biobrandstoffen, chemicaliën, textiel en bouwmaterialen. Het is ook een titulair element in koolstofdioxide, algemeen bekend als CO₂wat minder dan 1% van de atmosfeer van de aarde uitmaakt. Naast dat het door mensen wordt uitgeademd, is het kleurloze, geurloze, warmtevasthoudende gas een bijproduct van het verbranden van fossiele brandstoffen zoals olie, aardgas, benzine en steenkool.

Bestaande methoden om koolstofdioxide uit de atmosfeer te verwijderen, resulteren meestal in het opslaan van het gas, in plaats van het omzetten ervan in nieuwe producten.

“Wat we proberen te doen is een andere manier te introduceren om CO2 af te vangen₂ door het vast te zetten met chemische bindingen,” aldus Crawford, die ook verbonden is aan het Energy Research Institute van MSU en het Center for Biofilm Engineering. “Als je atmosferische gassen zoals koolstofdioxide en water kunt omzetten in koolstofmonoxide en waterstof, kun je deze vervolgens combineren om vrijwel elke koolwaterstof te maken.”

Koolwaterstoffen zijn organische verbindingen die geheel uit waterstof en koolstof bestaan. Ze vormen daarom een ​​belangrijke bouwsteen voor veel chemische verbindingen en materialen.

“Biologische katalysatoren, of enzymen, recyclen al miljarden jaren atmosferische gassen,” hij zei. “Mijn groep is geïnteresseerd in het leren over enzymen en het kopiëren van hun functie in robuuste, vaste-stofkatalysatoren. Dit zou hun gebruik in zware industriële processen mogelijk maken.”

Zijn team is geïnteresseerd in materialen die selectief CO kunnen opnemen₂ uit de lucht en maken reacties mogelijk die de chemische identiteit van het molecuul veranderen. “Deze katalysatoren moeten CO bevatten₂ aanhechtingsplaatsen, evenals reactieve structuren die chemische reconstructie mogelijk maken,” zei Crawford.

Hiervoor zijn materialen nodig met aanpasbare structuren op nanoschaal, met afmetingen gemeten in miljardsten van een meter. Hij is specifiek geïnteresseerd in twee materialen: zeolieten, wat keramiekachtige materialen zijn; en metaal-organische raamwerken, die metalen knooppunten hebben die verbonden zijn met organische linkers. Beide materialen hebben microporiën en chemische “afstembaarheid” om CO te creëren₂ opvang- en conversiesites.

“Wij genereren zeolieten en metaal-organische raamwerken in het laboratorium met behulp van een proces dat oplosmiddelen, hitte en druk combineert om de vorming van onze katalysatoren aan te drijven,” zei Crawford.

Voortbouwend op deze opkomende technologieën zei Crawford, die een bachelordiploma in chemische en biologische technologie behaalde aan de MSU voordat hij zijn doctoraat behaalde aan de Colorado School of Mines, dat hij hoopt dat zijn onderzoek op een dag zal leiden tot het ontwerpen van efficiëntere nanokatalysatoren met “biomimetisch” eigenschappen, wat betekent dat ze biologische processen nabootsen.

“De biologie heeft hier al veel over ontdekt,” zei Crawford. “We maken biomimetische materialen die op een dag de CO2-uitstoot kunnen sturen.₂ conversieproces om de chemicaliën te genereren die we het hardst nodig hebben.”