Kan sollys omdanne emissioner til nyttige materialer?

Shaama Sharada kalder kuldioxid - den værste lovovertræder af den globale opvarmning - en meget stabil, "meget glad molekyle."

Det vil hun ændre på.

For nylig offentliggjort i Journal of Physical Chemistry A , Sharada og et team af forskere ved USC Viterbi School of Engineering søger at bryde CO ₂ fra hinanden og omdanne drivhusgassen til nyttige materialer som brændstoffer eller forbrugerprodukter lige fra lægemidler til polymerer.

Typisk, denne proces kræver en enorm mængde energi. Imidlertid, i den første beregningsundersøgelse af sin art, Sharada og hendes team fik en mere bæredygtig allieret:solen.

Specifikt, de viste, at ultraviolet (UV) lys kunne være meget effektivt til at excitere et organisk molekyle, oligophenylen. Ved eksponering for UV, oligophenylen bliver en negativt ladet "anion, "let overfører elektroner til det nærmeste molekyle, såsom CO ₂ -derved gør CO ₂ reaktive og kan reduceres og omdannes til ting som plast, stoffer eller endda møbler.

"CO ₂ er notorisk svært at reducere, derfor lever den i årtier i atmosfæren, "Sharada sagde." Men denne negativt ladede anion er i stand til at reducere endda noget så stabilt som CO ₂ , Derfor er det lovende, og derfor studerer vi det."

Den hastigt voksende koncentration af kuldioxid i jordens atmosfære er et af de mest presserende spørgsmål, menneskeheden skal tage fat på for at undgå en klimakatastrofe.

Siden begyndelsen af ​​den industrielle tidsalder, mennesker har øget atmosfærisk CO ₂ med 45 %, gennem afbrænding af fossile brændstoffer og andre emissioner. Som resultat, gennemsnitlige globale temperaturer er nu to grader celsius varmere end den førindustrielle æra. Takket være drivhusgasser som CO ₂ , varmen fra solen forbliver fanget i vores atmosfære, opvarmer vores planet.

Forskerholdet fra Mork Family Department of Chemical Engineering and Materials Science blev ledet af tredje års ph.d. studerende Kareesa Kron, overvåget af Sharada, en VIS Gabilan Adjunkt. Værket blev medforfatter af Samantha J. Gomez fra Francisco Bravo Medical Magnet High School, som har været en del af USC Young Researchers Program, giver gymnasieelever fra underrepræsenterede områder mulighed for at deltage i STEM-forskning.

Mange forskerhold kigger på metoder til at omdanne CO ₂ der er blevet fanget fra emissioner til brændstoffer eller kulstofbaserede råvarer til forbrugerprodukter lige fra lægemidler til polymerer.

Processen bruger traditionelt enten varme eller elektricitet sammen med en katalysator for at fremskynde CO ₂ konvertering til produkter. Imidlertid, mange af disse metoder er ofte energikrævende, hvilket ikke er ideelt til en proces, der sigter mod at reducere miljøpåvirkninger. At bruge sollys i stedet for at ophidse katalysatormolekylet er attraktivt, fordi det er energieffektivt og bæredygtigt.

"De fleste andre måder at gøre dette på involverer at bruge metalbaserede kemikalier, og disse metaller er sjældne jordarters metaller, " sagde Sharada. "De kan være dyre, de er svære at finde, og de kan potentielt være giftige."

Sharada sagde, at alternativet er at bruge kulstofbaserede organiske katalysatorer til at udføre denne lysstøttede konvertering. Imidlertid, denne metode giver sine egne udfordringer, som forskergruppen har til formål at tage fat på. Holdet bruger kvantekemi-simuleringer til at forstå, hvordan elektroner bevæger sig mellem katalysatoren og CO ₂ at identificere de mest levedygtige katalysatorer for denne reaktion.

Sharada sagde, at arbejdet var den første beregningsundersøgelse af sin art, i, at forskere ikke tidligere havde undersøgt den underliggende mekanisme til at flytte en elektron fra et organisk molekyle som oligophenylen til CO ₂ . Holdet fandt ud af, at de kan udføre systematiske modifikationer af oligophenylen-katalysatoren, ved at tilføje grupper af atomer, der giver specifikke egenskaber, når de bindes til molekyler, som har tendens til at skubbe elektroner mod midten af ​​katalysatoren, for at fremskynde reaktionen.

På trods af udfordringerne, Sharada er begejstret for mulighederne for sit team.

"En af de udfordringer er, at Ja, de kan udnytte stråling, men meget lidt af det er i det synlige område, hvor du kan skinne lys på det for at reaktionen kan opstå, " sagde Sharada. "Typisk, du har brug for en UV-lampe for at få det til at ske."

Sharada sagde, at holdet nu udforsker katalysatordesignstrategier, der ikke kun fører til høje reaktionshastigheder, men også gør det muligt for molekylet at blive exciteret af synligt lys, ved hjælp af både kvantekemi og genetiske algoritmer.

Forskningspapiret markerer gymnasieeleven Gomez' første medforfattede publikation i et prestigefyldt peer-reviewed tidsskrift.

Gomez var senior på Bravo Medical Magnet-skolen på det tidspunkt, hvor hun deltog i USC Young Researchers Program i løbet af sommeren, arbejder i Sharadas laboratorium. Hun blev direkte vejledt og trænet i teori og simuleringer af Kron. Sharada sagde, at Gomez' bidrag var så imponerende, at holdet var enige om, at hun fortjente et forfatterskab på papiret.

Gomez sagde, at hun nød muligheden for at arbejde med vigtig forskning, der bidrager til miljømæssig bæredygtighed. Hun sagde, at hendes rolle involverede at udføre beregningsforskning, beregne hvilke strukturer der var i stand til at reducere CO væsentligt ₂ .

"Traditionelt har vi vist, at forskning kommer fra laboratorier, hvor man skal bære laboratoriefrakker og arbejde med farlige kemikalier, " sagde Gomez. "Jeg nød, at jeg hver dag altid lærte nye ting om forskning, som jeg ikke vidste kunne gøres blot gennem computerprogrammer."

"Den førstehåndsoplevelse, jeg fik, var simpelthen den bedste, jeg kunne have bedt om, da det gav mig mulighed for at udforske min interesse for kemiingeniørområdet og se, hvordan der er mange måder, hvorpå livreddende forskning kan opnås, " sagde Gomez.