För varje dag som går, den mörka sidan av vårt beroende av fossila bränslen blir mer uppenbar. Förutom att minska utsläppen av koldioxid, samhället måste hitta hållbara alternativ för att driva den moderna världen.

I en ny studie, Gary Moore och hans forskargrupp utforskar olika metoder för katalys, en kemisk process som spelar en viktig roll i biologiska reaktioner, såväl som många industriella tillämpningar.

Katalysatorer är ämnen som påskyndar kemiska reaktioner, utan att förbrukas under reaktionsprocessen. Enzymkatalysatorer är så viktiga i naturen att livet vore omöjligt utan dem, eftersom förhållanden i levande celler inte bidrar till många vitala kemiska processer. Kemiska reaktioner som annars skulle kräva timmar eller till och med dagar för att inträffa kan utvecklas på under en sekund med hjälp av enzymkatalysatorer.

Kemiska katalysatorer har använts i en mängd olika mänskliga tillämpningar, allt från läkemedelsutveckling till biologiskt nedbrytbar plast och miljösäkra gödningsmedel. De kan också främja utvecklingen av gröna energilösningar för att hantera klimatkrisen, ett område som Moores grupp aktivt har bedrivit.

Moore är forskare vid Biodesign Center for Applied Structural Discovery (CASD) och docent vid ASU:s School of Molecular Sciences (SMS). Han får sällskap av Daiki Nishiori, en doktorand i SMS och huvudförfattare till den nya studien, liksom Brian Wadsworth, en före detta doktorand i SMS som nu är anställd på Intel Corporation.

Studiens resultat visas i det aktuella numret av tidskriften Kemkatalys.

Katalysatorer på nära håll

Den nya studien bygger på undersökningar av beteendet hos katalysatorer av Moore och hans ASU-kollegor samt andra forskare inom området. Den aktuella perspektivartikeln beskriver tre former av katalys—enzymatisk, elektrokatalytisk och fotoelektrosyntetisk – beskriver framstegen hittills och belyser några av de återstående utmaningarna som forskare står inför som söker en heltäckande förståelse av dessa viktiga fenomen.

Även om en hel del har lärt sig genom studiet av enzymkatalys i levande organismer, forskare hoppas kunna utveckla syntetiska alternativ som kan förbättra naturens design. "Det är utmanande att efterlikna biologiska enzymer för katalys, "Säger Nishiori." Biologiska enzymer har komplexa, tredimensionella proteinstrukturer, " och fungerar under helt andra förhållanden än de flesta mänskligt framställda katalysatorer.

Istället, forskare hoppas kunna producera en ny serie syntetiska katalysatorer för att driva kemiska reaktioner med hög effektivitet. Framgångsrika resultat kan avsevärt förbättra den industriella produktionen av många produkter till nytta för samhället. Dessa inkluderar nya typer av kolneutrala eller kolfria bränslen.

"Vi täcker en hel del materiellt utrymme i den här artikeln, inklusive traditionell kemisk katalys av enzymer, såväl som elektrokatalytiska processer förmedlade av biologiska och/eller syntetiska komplex, " säger Moore. Studien går sedan vidare till att beskriva hybridsystem som fångar strålande ljusenergi och använder den för att driva laddningsöverföringsreaktioner. Den uppenbara parallellen i naturen är med fotosyntetiska processer som utförs av växter.

Men artificiell fotosyntetisk teknik kan inte bara replikera naturens ritning. Förutom en begränsad förståelse av struktur-funktionsrelationerna som styr deras prestanda, fotosyntetiska växter omvandlar och lagrar knappt 1% ​​av det infallande solljuset som samlas av deras löv i form av kemiska bindningar. Dessa bindningar utgör i slutändan maten vi äter, och på längre geologiska tidsskalor, de kolbaserade fossila bränslena våra moderna samhällen är beroende av. Detta är allt en frisk växt behöver för att utvecklas och föröka sig men är otillräckligt för mänskliga tillämpningar.

Lysande forskning

Att designa nya fotoelektrosyntetiska enheter innebär att man använder ljusinsamlingsteknik, liknande nuvarande solceller, och koppla den till ett tunt lager av katalytiskt material. I detta schema, laddningsbärare överförs från en halvledaryta till katalytiska platser. När en katalysator har ackumulerat tillräckligt med laddningsbärare, den går in i ett så kallat aktiverat tillstånd, så att katalysen kan fortsätta. Processen kan användas för att producera väte från vatten eller för att producera reducerade former av CO ₂ inklusive metan, kolmonoxid, flytande bränslen, och andra industriellt användbara produkter.

"När det gäller en mer traditionell solcell, ditt slutmål är att omvandla solljus till elektrisk kraft. Systemen vi utvecklar använder solenergi för att driva kemiska transformationer i uppförsbackar, " säger Moore. Istället för att producera el, det inträngande solljuset leder till katalyserade kemiska reaktioner, i slutändan genererar bränslen.

"Här, de bränslen vi beskriver är inte bundna till fossila kolkällor. Vi kan utveckla kemi som antingen är kolfri, inklusive omvandling av vatten till vätgas, som skulle kunna tjäna som bränsle, eller så kan vi använda CO ₂ från atmosfären för att generera kolhaltiga bränslen, " säger Moore. "I det här senare exemplet, även om de resulterande bränslena är kolbaserade, inga nya källor till CO ₂ frigörs i atmosfären." Processen är en form av kolåtervinning.

Moore hänvisar till sådan teknik som fotoelektrosyntes. Även om de har ett betydande löfte om att producera ren energi och renare generering av användbara industriprodukter, att förstå kemin på både teoretisk och praktisk nivå är utmanande. Fotonerna av ljus och laddningsbärare som används för att starta katalys är kvantenheter, med särskilt subtila egenskaper som forskare fortfarande kämpar för att noggrant modellera.

Att producera effektiva tekniker för att möta framtida energiutmaningar kommer att kräva en mer grundlig matematisk förståelse av ljusskördens dynamik såväl som katalytiska processer och laddningsrörelser. Den aktuella studien ger ett trevande steg i denna riktning.

Vid sidan av dessa framsteg, forskare inom materialvetenskap kommer att behöva designa material som bättre kan utnyttja dessa processer, tillverkad av hållbara och prisvärda material.

Nya vägar genom energilabyrinten

Förutom de rent vetenskapliga hinder som måste åtgärdas, Moore säger att förändringar i offentlig politik kommer att vara avgörande drivkrafter om grönare energiteknik ska lyckas. "Det är skrämmande att konkurrera med en befintlig teknik som innebär att man bara borrar ett hål i marken för att utvinna en energikälla som redan finns där, " säger Moore. En vetenskapligt utbildad allmänhet, Att kunna göra medvetna röstval som påverkar hur samhället investerar i framtida infrastruktur kommer också att vara avgörande. "Vill vi välja att göra investeringar i teknologier som minimerar effekterna av klimatförändringar, eller fortsätter vi att använda en energiinfrastruktur med komponenter och processer som är över hundra år gamla?"

Moore är hoppfull om framsteg inom enzymatiska, elektrokatalytisk och fotoelektrosyntetisk teknik kommer att spela viktiga roller för en mer hållbar, mindre destruktiv energiframtid.