Ny proces fremmer området for kulstofudnyttelse

I et forsøg på at udvikle bæredygtige løsninger på menneskehedens energibehov, mange forskere studerer kulstofopsamling og -udnyttelse - praksis med at bruge overskydende kuldioxid i atmosfæren eller fra punktkilder, i stedet for fossile brændstoffer, at syntetisere kemikalier, der bruges til fremstilling af dagligvarer, fra plast til brændstoffer til lægemidler.

Feng Jiao, lektor i kemisk og biomolekylær teknik ved University of Delaware, er førende inden for kulstofopsamling og -udnyttelse. Nu, han og hans kolleger har fundet en ny opdagelse, der kan fremme CO2 -opsamling og -udnyttelse yderligere og udvide sit løfte til nye industrier.

I journalen Naturkemi , Jiao og samarbejdspartnere fra California Institute of Technology, Nanjing University (Kina), og Soochow University (Kina) beskriver, hvordan de dannede carbon-nitrogenbindinger i en elektrokemisk carbonmonoxidreduktionsreaktion, hvilket førte til produktion af kemikalier af høj værdi kaldet amider. Disse stoffer er nyttige i en række forskellige industrier, herunder lægemidler.

Teamet er det første til at gøre dette. "Nu, startende med kuldioxid som kulstofkilde, vi kan udvide til en række forskellige produkter, "sagde Jiao, associeret direktør for UD's Center for Catalytic Science and Technology (CCST).

Videnskaben bag disse fund er elektrokemi, som bruger elektricitet til at producere kemiske ændringer. I tidligere forskningsindsatser har Jiao udviklede en særlig sølvkatalysator, som omdanner kuldioxid til kulilte. Næste, han ønskede yderligere at opgradere kulilte til multi-carbonprodukter, der er nyttige til produktion af brændstoffer, lægemidler og mere.

"Inden for elektrokemisk kuldioxidomdannelse, vi sad fast med kun fire store produkter, vi kan lave ved hjælp af denne teknologi:ethylen, ethanol, propanol, og, som vi rapporterede for et par måneder siden i Naturkatalyse , acetat, "sagde Jiao.

Kvælstof er den hemmelige ingrediens til at frigøre systemets potentiale. Teamet brugte en elektrokemisk flowreaktor, der typisk fodres med kuldioxid eller kulilte, men denne gang tilsatte de både kulilte og ammoniak, en forbindelse, der indeholder nitrogen. Nitrogenkilden interagerer med kobberkatalysatoren ved elektrode-elektrolytgrænsefladen, hvilket fører til dannelse af carbon-nitrogen (CN) bindinger. Denne proces tillod teamet at syntetisere kemikalier, der aldrig før var blevet fremstillet på denne måde, herunder amider, som kan bruges i farmaceutisk syntese. Mange farmaceutiske forbindelser indeholder nitrogen, og "dette giver faktisk en unik måde at bygge store molekyler på, der indeholder nitrogen fra simple kulstof- og nitrogenarter, "sagde Jiao.

På et møde i American Chemical Society, Jiao delte nogle af sine foreløbige fund med William A. Goddard III, hovedforsker ved Joint Center for Artificial Photosynthesis hos Caltech. Goddard, en verdensførende ekspert, der bruger kvantemekanik til at bestemme reaktionsmekanisme og hastigheder for sådanne elektrokatalytiske processer, var meget begejstret for denne uventede opdagelse og satte straks sit hold. Tao Cheng i Goddard-laboratoriet fandt ud af, at den nye carbon-nitrogen-bindingskobling var en off-shoot af den mekanisme, der var blevet bestemt til fremstilling af ethylen og ethanol, hvilket tyder på, at Jiao muligvis kan knytte andre obligationer end CN.

"Gennem et tæt samarbejde med prof. Goddard, vi lærte ret meget med hensyn til, hvordan denne carbon-nitrogenbinding dannedes på overfladen af ​​katalysatoren, "sagde Jiao." Dette gav os vigtig indsigt i, hvordan vi kan designe endnu bedre katalysatorer for at lette nogle af disse former for kemiske reaktioner. "

Konsekvenserne af dette arbejde kan være vidtgående.

"Dette har den betydelige indvirkning på vejen, Jeg tror, delvis at løse problemer med kuldioxidemission, "sagde Jiao." Nu kan vi faktisk bruge det som kulstofråstof til at producere kemikalier af høj værdi. "