In een poging om duurzame oplossingen voor de energiebehoeften van de mensheid te ontwikkelen, veel wetenschappers bestuderen koolstofafvang en -gebruik - de praktijk van het gebruik van overtollige koolstofdioxide in de atmosfeer of uit puntbronnen, in plaats van fossiele brandstoffen, om chemicaliën te synthetiseren die worden gebruikt om alledaagse producten te maken, van kunststoffen tot brandstoffen tot geneesmiddelen.

Feng Jiao, een universitair hoofddocent chemische en biomoleculaire engineering aan de Universiteit van Delaware, is een leider op het gebied van koolstofafvang en -gebruik. Nutsvoorzieningen, hij en zijn collega's hebben een nieuwe ontdekking gedaan die de afvang en het gebruik van koolstof verder kan bevorderen en de belofte ervan kan uitbreiden naar nieuwe industrieën.

In het journaal Natuurchemie , Jiao en medewerkers van het California Institute of Technology, Universiteit van Nanjing (China), en Soochow University (China) beschrijven hoe ze koolstof-stikstofbindingen vormden in een elektrochemische koolmonoxidereductiereactie, wat leidde tot de productie van hoogwaardige chemicaliën, amiden genaamd. Deze stoffen zijn bruikbaar in verschillende industrieën, waaronder geneesmiddelen.

Het team is de eerste die dit doet. "Nutsvoorzieningen, beginnend met koolstofdioxide als koolstofbron, we kunnen uitbreiden naar een verscheidenheid aan producten, " zei Jiao, de associate director van UD's Center for Catalytic Science and Technology (CCST).

De wetenschap achter deze bevindingen is elektrochemie, die elektriciteit gebruikt om chemische verandering teweeg te brengen. In eerdere onderzoeksinspanningen, Jiao ontwikkelde een speciale zilverkatalysator, die kooldioxide omzet in koolmonoxide. Volgende, hij wilde koolmonoxide verder opwaarderen tot multi-koolstofproducten die nuttig zijn bij de productie van brandstoffen, geneesmiddelen en meer.

"Op het gebied van elektrochemische kooldioxideomzetting, we zaten vast met slechts vier belangrijke producten die we met deze technologie kunnen maken:ethyleen, ethanol, propanol, en, zoals we een paar maanden geleden meldden in Natuur Katalyse , acetaat, " zei Jiao.

Stikstof is het geheime ingrediënt om het potentieel van het systeem te ontsluiten. Het team gebruikte een elektrochemische stroomreactor die doorgaans wordt gevoed met kooldioxide of koolmonoxide, maar deze keer deden ze er zowel koolmonoxide als ammoniak in, een verbinding die stikstof bevat. De stikstofbron interageert met de koperkatalysator op het elektrode-elektrolyt-interface, wat leidt tot de vorming van koolstof-stikstof (CN) bindingen. Dankzij dit proces kon het team chemicaliën synthetiseren die nog nooit op deze manier waren gemaakt. inclusief amiden, die kan worden gebruikt in de farmaceutische synthese. Veel farmaceutische verbindingen bevatten stikstof, en "dit biedt eigenlijk een unieke manier om grote moleculen te bouwen die stikstof bevatten van eenvoudige koolstof- en stikstofsoorten, " zei Jiao.

Tijdens een bijeenkomst van de American Chemical Society, Jiao deelde enkele van zijn voorlopige bevindingen met William A. Goddard III, hoofdonderzoeker bij het Gemeenschappelijk Centrum voor Kunstmatige Fotosynthese bij Caltech. Goddard, een toonaangevende expert die Quantum Mechanics gebruikt om het reactiemechanisme en de snelheden van dergelijke elektrokatalytische processen te bepalen, was erg enthousiast over deze onverwachte ontdekking en zette meteen zijn team in. Tao Cheng in het Goddard-lab ontdekte dat de nieuwe koppeling tussen koolstof en stikstofbinding een uitloper was van het mechanisme dat was vastgesteld voor de productie van ethyleen en ethanol. wat suggereert dat Jiao andere obligaties dan CN zou kunnen koppelen.

"Door een nauwe samenwerking met Prof. Goddard, we hebben heel veel geleerd over hoe deze koolstof-stikstofbinding zich vormde op het oppervlak van de katalysator, "Zei Jiao. "Dit gaf ons belangrijke inzichten over hoe we nog betere katalysatoren kunnen ontwerpen om sommige van dit soort chemische reacties mogelijk te maken."

De implicaties van dit werk kunnen verstrekkend zijn.

"Dit heeft de grote impact op de weg, I denk, om de problemen met de uitstoot van kooldioxide gedeeltelijk aan te pakken, " zei Jiao. "Nu kunnen we het daadwerkelijk gebruiken als koolstofgrondstof om hoogwaardige chemicaliën te produceren."