碳的炼金术：麻省理工学院设计出革命性的二氧化碳转化技术

如果将这一工艺扩大到工业用途，将有助于从发电厂和其他来源清除二氧化碳，从而减少排放到大气中的温室气体数量。

麻省理工学院的化学工程师们证明，通过使用 DNA 将催化剂（蓝色圆圈）拴在电极上，可以使二氧化碳转化为一氧化碳的效率大大提高。图片来源：麻省理工学院 Christine Daniloff

革命性的脱碳技术

"这将能够从排放物或溶解在海洋中的二氧化碳中提取二氧化碳，并将其转化为有利可图的化学品。"保罗-库克（Paul M. Cook）化学工程职业发展助理教授、该研究的资深作者阿里尔-弗斯特（Ariel Furst）说："这确实是一条脱碳之路，因为我们可以把二氧化碳这种温室气体转化为对化学生产有用的东西。"

这种新方法利用电力进行化学转换，催化剂通过 DNA 链系在电极表面。DNA 就像尼龙搭扣一样，将所有反应成分紧紧粘在一起，使反应比所有成分都漂浮在溶液中更有效率。

Furst 创办了一家名为 Helix Carbon 的公司，以进一步开发这项技术。麻省理工学院前博士后 Gang Fan 是这篇论文的第一作者，论文发表在《美国化学学会学报》（Journal of the American Chemical Society Au）上。其他作者包括：21 岁的 Nathan Corbin 博士、23 岁的 Minju Chung 博士、麻省理工学院前博士后 Thomas Gill 和 Amruta Karbelkar 以及 23 岁的 Evan Moore。

分解二氧化碳

要将二氧化碳转化为有用的产品，首先需要将其转化为一氧化碳。其中一种方法是用电，但这种电催化所需的能量过于昂贵。

为了降低成本，研究人员尝试使用电催化剂，这种催化剂可以加快反应速度，减少系统所需的能量。用于该反应的一种催化剂是一类被称为卟啉的分子，这种分子含有铁或钴等金属，结构类似于血液中携带氧气的血红素分子。

在这种电化学反应中，二氧化碳溶解在电化学装置内的水中，该装置包含一个驱动反应的电极。催化剂也悬浮在溶液中。然而，这种装置的效率并不高，因为二氧化碳和催化剂需要在电极表面相遇，而这种情况并不常见。

为了使反应更频繁地发生，从而提高电化学转换的效率，Furst 开始研究如何将催化剂附着在电极表面。DNA 似乎是这种应用的理想选择。

她说："DNA 的成本相对较低，你可以用化学方法对其进行修饰，并且可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用。它就像一种序列特异的魔术贴，具有非常强但可逆的相互作用，你可以对其进行控制。"

为了将单股 DNA 连接到碳电极上，研究人员使用了两个"化学手柄"，一个在 DNA 上，另一个在电极上。这些"化学手柄"可以折叠在一起，形成永久性的结合。然后将互补的 DNA 序列连接到卟啉催化剂上，这样当催化剂加入溶液中时，它就会可逆地与已经连接到电极上的 DNA 结合--就像魔术贴一样。

系统建立后，研究人员向电极施加电势（或偏压），催化剂利用这种能量将溶液中的二氧化碳转化为一氧化碳。反应还能从水中产生少量氢气。催化剂磨损后，可以通过加热系统来破坏两条 DNA 链之间的可逆键，从而将其从表面释放出来，并用新的催化剂取而代之。

突破性的电化学转换

利用这种方法，研究人员能够将反应的法拉第效率提高到 100%，这意味着进入系统的所有电能都直接进入化学反应，没有能量浪费。而当催化剂没有被DNA拴住时，法拉第效率只有40%左右。

Furst 说，这项技术可以很容易地扩大到工业用途，因为研究人员使用的碳电极比传统金属电极便宜得多。催化剂也很便宜，因为它们不含任何贵金属，而且电极表面只需要少量的催化剂。

通过更换不同的催化剂，研究人员计划尝试用这种方法制造甲醇和乙醇等其他产品。由 Furst 创办的 Helix Carbon 公司也在致力于进一步开发该技术，以实现潜在的商业用途。