미래의 무탄소 태양 연료를 빠르게 추적할 수 있는 새로운 기술

로렌스 버클리 국립 연구소(Berkeley Lab)의 과학자들은 일부 박테리아에서 발견되는 대사 과정을 모델로 하여 이산화탄소(CO2)를 전환시키는 새로운 기술을 시연했습니다.₂)을 액체 아세테이트로, 인공 광합성을 통해 “액체 햇빛” 또는 태양 연료를 생산하는 핵심 성분입니다.

에 보고된 새로운 접근법 자연 촉매지구 온난화 및 기후 변화와 관련된 화석 연료에 대한 무탄소 대안을 발전시키는 데 도움이 될 수 있습니다.

이 작업은 또한 이 박테리아가 전자와 CO로부터 아세테이트를 자연적으로 합성하는 방법을 모방하는 장치의 첫 번째 데모입니다._2.

“놀라운 것은 이 작은 미생물이 자연적으로 어떻게 하는지를 모방하여 이산화탄소를 아세테이트로 선택적으로 전환하는 방법을 배웠다는 것입니다. UC Berkeley에서 재료 과학 및 공학. “CO를 변환하기 위해 실험실에서 수행하는 모든 작업₂ 유용한 제품으로 자연에서 영감을 얻습니다. CO 완화 측면에서₂ 탄소배출과 기후변화와의 싸움, 이것이 해결책의 일부입니다.”

수십 년 동안 연구원들은 일부 박테리아의 대사 경로를 통해 전자와 CO를 소화할 수 있다는 사실을 알고 있었습니다.₂ 전자에 의해 구동되는 반응인 아세테이트를 생성합니다. 경로는 CO를 끊습니다.₂ 분자를 두 개의 서로 다른 또는 “비대칭” 화학 그룹: 카보닐 그룹(CO) 또는 메틸 그룹(CH_삼). 이 반응 경로의 효소는 CO 및 CH의 탄소를 활성화합니다._삼 최종 제품으로 아세테이트를 생성하는 또 다른 촉매 반응을 유발합니다.

인공 광합성 분야의 연구원들은 비대칭 탄소-탄소 결합이라고 하는 경로의 화학을 모방하는 장치를 개발하기를 원했지만 박테리아의 천연 효소 촉매만큼 효율적으로 작동하는 합성 전기 촉매를 찾는 것은 어려운 일이었습니다.

“그러나 우리는 이러한 미생물이 그것을 할 수 있다면 실험실에서 그들의 화학을 모방할 수 있어야 한다고 생각했습니다.”라고 Yang은 말했습니다.

탄소에 굶주린 구리로 인공 광합성 발전

탄소를 다양한 유용한 제품으로 변환하는 구리의 재능은 1970년대에 처음 발견되었습니다. 이전 연구를 바탕으로 Yang과 그의 팀은 구리 촉매가 장착된 인공 광합성 장치가 CO를 전환할 수 있어야 한다고 추론했습니다.₂ 물을 메틸기와 카르보닐기로 전환한 다음 이들 생성물을 아세테이트로 바꿉니다. 그래서 한 가지 실험을 위해 Yang과 팀은 구리 표면을 가진 모델 장치를 설계했습니다. 그런 다음 그들은 구리 표면을 액체 요오드화 메틸(CH_삼I) 및 CO 가스, 그리고 시스템에 전기적 바이어스를 적용했습니다.

연구원들은 CO가 구리 표면에 달라붙어 CO와 CH의 비대칭 결합을 촉발할 것이라는 가설을 세웠습니다._삼 아세테이트를 생산하는 그룹. 동위원소 표지된 CH_삼나는 반응 경로와 최종 제품을 추적하기 위해 실험에 사용되었습니다. (동위 원소는 원소의 다른 원자보다 핵에 중성자(전하를 띠지 않은 입자)가 더 많거나 적은 원자입니다.)

그리고 그들은 옳았습니다. Yang의 UC Berkeley 연구실에서 수행된 화학 분석 실험에서 구리의 카르보닐기와 메틸기 쌍이 아세테이트뿐만 아니라 에탄올과 아세톤을 포함한 다른 가치 있는 액체를 생성한다는 사실이 밝혀졌습니다. 연구진은 동위원소 추적을 통해 아세테이트가 CO와 CH의 결합을 통해 형성되었음을 확인할 수 있었습니다._삼.

또 다른 실험에서 연구원들은 각각 직경이 7나노미터(10억분의 1미터)인 구리 및 은 나노입자 용액으로부터 초박형 물질을 합성했습니다. 그런 다음 연구원들은 이번에는 나노 입자 얇은 재료로 적층된 또 다른 모델 장치를 설계했습니다.

예상대로 전기 바이어스가 반응을 일으켜 은 나노입자가 CO를 전환하도록 유도했습니다.₂ 구리 나노입자가 CO를 변형시키는 동안 카보닐 그룹으로₂ 메틸기로 전환. Yang 연구소의 후속 분석에서 CO와 CH 사이의 또 다른 반응(원하는 비대칭 결합)이 밝혀졌습니다._삼 아세테이트와 같은 합성 액체 제품.

연구진은 Molecular Foundry에서 전자현미경 실험을 통해 구리와 은 나노입자가 서로 밀착되어 탠덤 시스템을 형성하고 있으며, 구리 나노입자가 비대칭 결합의 촉매 중심 역할을 한다는 사실을 알게 됐다.

Yang은 이러한 구리-은 나노입자가 미래의 효율적인 인공 광합성 시스템 설계에서 빛을 흡수하는 실리콘 나노와이어와 잠재적으로 결합될 수 있다고 말했습니다.

2015년 Yang은 이산화탄소와 물로부터 아세테이트를 생성하기 위해 햇빛 에너지를 사용하는 반도체 나노와이어와 박테리아로 구성된 인공 광합성 시스템을 시연하는 연구를 공동 주도했습니다. 이 발견은 연구자들이 CO로부터 높은 수율의 액체 제품을 생산하기 위한 최고의 화학 반응을 찾기 위해 수십 년을 보냈던 성장하는 분야에 중요한 의미를 가지고 있습니다.₂.

새로운 연구는 구리-은 나노입자인 합성 전기 촉매를 시연함으로써 이 초기 연구를 발전시켰습니다.₂양 교수는 “아직 개선해야 할 일이 많지만 인공 광합성을 발전시킬 수 있는 잠재력에 흥분하고 있다”고 말했다.

Berkeley Lab과 UC Berkeley의 연구원들이 연구에 참여했습니다.

이 작업은 DOE Office of Science의 지원을 받았습니다.

Molecular Foundry는 Berkeley Lab의 DOE Office of Science 사용자 시설입니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2022/11/221129112619.htm