Newswise – Los científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) han demostrado una nueva técnica, similar al metabolismo que se encuentra en algunas bacteriaspara convertir el dióxido de carbono (CO).2) en acetato líquido, que es un ingrediente clave en la producción de «luz solar líquida» o combustible solar a través de la fotosíntesis artificial.
El nuevo enfoque, informado en estimular la naturalezapuede ayudar a desarrollar alternativas neutras en carbono a los combustibles fósiles relacionadas con el calentamiento global y el cambio climático.
Este trabajo es también la primera demostración de un dispositivo que imita cómo estas bacterias sintetizan naturalmente acetato a partir de electrones y dióxido de carbono.2.
dijo el autor principal Beidong Yang, quien tiene los títulos de Científico Principal de la Facultad en el Departamento de Ciencia de Materiales de Berkeley Lab y Profesor de Química y Ciencia e Ingeniería de Materiales en UC Berkeley. «Todo lo que hacemos en mi laboratorio es convertir dióxido de carbono2 En productos beneficiosos inspirados en la naturaleza. en términos de mitigación de dióxido de carbono2 emisiones y combatir el cambio climático, eso es parte de la solución».
Durante décadas, los investigadores han sabido que una vía metabólica en algunas bacterias les permite digerir electrones y dióxido de carbono.2 para producir acetato, que es una reacción impulsada por electrones. El camino descompone el dióxido de carbono.2 moléculas en dos grupos químicos diferentes o «asimétricos»: un grupo carbonilo (CO) o un grupo metilo (CH3). Las enzimas en esta vía de reacción permiten el carbono en CO y CH3 para unir o «acoplar», lo que luego conduce a otra reacción catalítica que da como resultado acetato como producto final.
Los investigadores en el campo de la fotosíntesis artificial querían desarrollar dispositivos que imitaran la química de la vía, llamada acoplamiento asimétrico carbono-carbono, pero encontrar electrocatalizadores artificiales que funcionen tan eficientemente como la enzima natural de una bacteria. estímulos Fue un desafío.
«Pero pensamos que si estos microorganismos pueden hacer eso, entonces uno debería poder imitar la química en el laboratorio», dijo Yang.
Desarrollo de la fotosíntesis artificial usando cobre hambriento de carbono
El talento del cobre para convertir el carbono en muchos productos útiles se descubrió por primera vez en la década de 1970. Con base en esos estudios anteriores, Yang y su equipo concluyeron que los dispositivos fotosintéticos artificiales equipados con un catalizador de cobre deberían poder convertir el dióxido de carbono.2 y agua en grupos metilo y carbonilo, y luego convertir estos productos en acetatos. Entonces, en un experimento, Yang y su equipo diseñaron un dispositivo prototipo con una superficie de cobre; Luego, expusieron la superficie de cobre a yoduro de metilo líquido (CH3I) y gas dióxido de carbono, y aplicó una polarización eléctrica al sistema.
Los investigadores plantearon la hipótesis de que el dióxido de carbono se pegaría a la superficie del cobre, lo que llevaría al acoplamiento asimétrico de dióxido de carbono y metano.3 Kits para la producción de acetato. marcado con isótopo CH3Se ha utilizado en experimentos para seguir el curso de la reacción y los productos finales. (Un isótopo es un átomo que tiene más o menos neutrones (partículas sin carga) en su núcleo que otros átomos del elemento).
Y tenían razón. Los experimentos químicos analíticos realizados en el laboratorio de UC Berkeley de Yang revelaron que el acoplamiento de cobre de los grupos carbonilo y metilo produce no solo acetato sino también otros líquidos valiosos, incluidos etanol y acetona. El rastreo de los isótopos permitió a los investigadores confirmar que el acetato se formó a través de la combinación de CO y CH.3.
En otro experimento, los investigadores crearon un material ultrafino a partir de una solución de nanopartículas de cobre y plata, cada una de las cuales mide 7 nanómetros (mil millonésimas de metro) de diámetro. Luego, los investigadores diseñaron otro dispositivo prototipo, esta vez con un material de nanopartículas delgadas.
Como era de esperar, la polarización eléctrica desencadenó una reacción, lo que llevó a las nanopartículas de plata a convertir CO2 a un grupo carbonilo, mientras que las nanopartículas de cobre convirtieron dióxido de carbono2 en el grupo metilo. Los análisis posteriores en el laboratorio de Yang revelaron que otra interacción (el acoplamiento asimétrico deseado) entre CO y CH3 Productos líquidos compuestos como el acetato.
A través de experimentos de microscopía electrónica en Molecular Foundry, los investigadores descubrieron que las nanopartículas de cobre y plata están en estrecho contacto entre sí, formando sistemas en tándem, y que las nanopartículas sirvieron como centro catalítico para el acoplamiento asimétrico.
Estas nanopartículas de cobre y plata pueden combinarse con nanocables de silicio que absorben luz en el diseño futuro de sistemas de fotosíntesis artificial eficientes, dijo Yang.
En 2015, Yang codirigió A.I. El estudio que demostró el sistema de fotosíntesis artificial Consiste en nanocables semiconductores y bacterias que utilizan la energía de la luz solar para producir acetato a partir de dióxido de carbono y agua. Este descubrimiento tiene importantes implicaciones para un campo en crecimiento en el que los investigadores han pasado décadas buscando las mejores reacciones químicas para producir altos rendimientos de productos de CO2 líquido.2.
El nuevo estudio avanza este trabajo previo al mostrar un electrocatalizador sintético (nanopartículas de cobre y plata) que «imita claramente lo que hacen las bacterias para producir productos líquidos a partir de dióxido de carbono».2dijo Yang. «Todavía tenemos mucho trabajo por hacer para mejorarlo, pero estamos entusiasmados con su potencial para mejorar la fotosíntesis artificial».
Investigadores de Berkeley Lab y UC Berkeley participaron en el estudio.
Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía.
Molecular Foundry es una instalación de usuario de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía en el Laboratorio de Berkeley.
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