DNA的新用途：用DNA吸附固定催化剂 高效电还原二氧化碳

这种新方法中，催化剂通过DNA链相互作用而吸附在电极表面，DNA就像魔术贴一样，将所有的反应成分聚集在一起，提高了二氧化碳电还原为一氧化碳的电化学转化效率。如果扩大到工业用途，可以用来生产有用的化合物，减少排放到大气中的温室气体量

　　

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。实现这一目标的一种方法是用电，但这种电催化所需的能量非常高。为了降低成本需要使用催化剂，以加快反应速度，降低反应所需的能量。如果能解决这个问题，电化学还原二氧化碳(CO2)是一种很有前途的、将工业副产物转化为有用物质的途径。用于该反应的一种催化剂是一类被称为卟啉的小分子催化剂，它含有铁或钴等金属，其结构与血液中携带氧气的血红素分子相似。在电化学反应中，电化学装置含有驱动电极，二氧化碳溶解在装置内的水中，要使得二氧化碳和催化剂能够在电极表面相遇，悬浮在溶液中的催化剂必须非常靠近电极表面，而这种效率并不高。

为了使反应更频繁地发生，从而提高电化学转化的效率，麻省理工学院的Furst探究了将催化剂附着在电极表面的方法。从大自然中获得灵感，他们将DNA作为分子尺度的“魔术贴”来研究三种卟啉基催化剂在电极上的吸附固定。“DNA相对便宜，你可以用化学方法修改它，你可以通过改变序列来控制两条链之间的相互作用。”“这就像一个特定序列的魔术贴，具有很强但可逆的相互作用，你可以控制。”首先是将单链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，一个在石墨电极上，可以形成一个永久的连接。然后将一个互补的DNA序列附着在卟啉催化剂上，这样当催化剂被添加到溶液中时，它就会可逆地与已经附着在电极上的DNA结合——就像魔术贴一样。

一旦这个系统建立起来，研究人员就会在电极上施加一个电位(或偏置)，催化剂就会利用这个能量将溶液中的二氧化碳转化为一氧化碳。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%，这意味着所有进入系统的电能都直接进入化学反应，没有能量浪费。催化剂没有被DNA吸附固定时反应的法拉第效率只有40%左右。更妙的是，在催化剂磨损后，可以通过加热系统来破坏两条DNA链之间的可逆键，将它们从表面释放出来，并用新的DNA链代替。

作者在论文中介绍：“这种偶联策略提高了催化剂的稳定性和它们的法拉第效率(FEs)。通过DNA杂交将DNA-催化剂偶联物固定在丝网印刷碳和碳纸电极上，效率接近100%。固定后，在相关电位下观察到更高的催化剂稳定性。此外，一氧化碳(CO)的生成需要较低的过电位。最后，与未修饰的小分子体系相比，DNA固定催化剂的CO生成FE较高，在−0.95 V vs SHE条件下，DNA固定催化剂的CO生成FE高达79.1%。”。这项工作证明了DNA“尼龙搭扣”作为一种强大的催化剂固定策略的潜力，同时证明了分子催化剂对CO2增值的催化特性的改进，这一策略有望推广到水溶液中进行的任何反应。

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的金属电极便宜得多。这种催化剂也很便宜，因为它们不含任何贵金属，而且只需要在电极表面添加少量的催化剂。通过交换不同的催化剂，研究人员计划尝试用这种方法制造其他产品，如甲醇和乙醇。由Furst创办的Helix Carbon公司也在致力于进一步开发这项技术，以用于潜在的商业用途。如果扩大到工业用途，这一过程可以帮助去除发电厂和其他来源的二氧化碳，减少排放到大气中的温室气体量。“这将允许你从排放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物质。这确实是脱碳的一条前进之路，因为我们可以把二氧化碳这种温室气体转化为对化学制造有用的东西。”。Furst已经成立了一家名为Helix Carbon的公司来进一步开发这项技术。