I ett försök att utveckla hållbara lösningar på mänsklighetens energibehov, många forskare studerar koldioxidupptagning och -utnyttjande - praktiken att använda överskott av koldioxid i atmosfären eller från punktkällor, istället för fossila bränslen, för att syntetisera kemikalier som används för att göra vardagsprodukter, från plast till bränslen till läkemedel.

Feng Jiao, docent i kemisk och biomolekylär teknik vid University of Delaware, är ledande inom koldioxidavskiljning och -utnyttjande. Nu, han och hans kollegor har gjort en ny upptäckt som ytterligare kan främja koldioxidavskiljning och utnyttjande och förlänga sitt löfte till nya industrier.

I journalen Naturkemi , Jiao och medarbetare från California Institute of Technology, Nanjing University (Kina), och Soochow University (Kina) beskriver hur de bildade kol-kvävebindningar i en elektrokemisk kolmonoxidreduktionsreaktion, vilket ledde till produktion av högvärdiga kemikalier som kallas amider. Dessa ämnen är användbara i en mängd olika industrier, inklusive läkemedel.

Teamet är först med att göra detta. "Nu, börjar med koldioxid som kolkälla, vi kan expandera till en mängd olika produkter, "sa Jiao, biträdande direktör för UD:s Center for Catalytic Science and Technology (CCST).

Vetenskapen bakom dessa fynd är elektrokemi, som använder elektricitet för att producera kemiska förändringar. I tidigare forskningsinsatser har Jiao utvecklade en speciell silverkatalysator, som omvandlar koldioxid till kolmonoxid. Nästa, han ville ytterligare uppgradera kolmonoxid till multikolprodukter som är användbara vid framställning av bränslen, läkemedel och mer.

"Inom området elektrokemisk koldioxidomvandling, vi fastnade med bara fyra stora produkter vi kan göra med denna teknik:eten, etanol, propanol, och, som vi rapporterade för bara ett par månader sedan Naturkatalys , acetat, "sa Jiao.

Kväve är den hemliga ingrediensen för att frigöra systemets potential. Teamet använde en elektrokemisk flödesreaktor som vanligtvis matas med koldioxid eller kolmonoxid, men den här gången lägger de i både kolmonoxid och ammoniak, en förening som innehåller kväve. Kvävekällan interagerar med kopparkatalysatorn vid elektrod-elektrolytgränssnittet, vilket leder till bildning av kol-kvävebindningar (CN). Denna process gjorde att laget kunde syntetisera kemikalier som aldrig tidigare hade tillverkats på detta sätt, inklusive amider, som kan användas vid farmaceutisk syntes. Många läkemedelsföreningar innehåller kväve, och "detta ger faktiskt ett unikt sätt att bygga stora molekyler som innehåller kväve från enkla kol- och kvävearter, "sa Jiao.

Vid ett möte i American Chemical Society, Jiao delade några av sina preliminära fynd med William A. Goddard III, huvudutredare vid Joint Center for Artificial Photosynthesis på Caltech. Goddard, en världsledande expert som använder kvantmekanik för att bestämma reaktionsmekanism och hastigheter för sådana elektrokatalytiska processer, var mycket upphetsad över denna oväntade upptäckt och satte omedelbart sitt team. Tao Cheng i Goddard-labbet fann att den nya kol-kvävebindningskopplingen var en off-shoot av mekanismen som hade bestämts för produktion av eten och etanol, vilket tyder på att Jiao kanske kan koppla andra obligationer än CN.

"Genom ett nära samarbete med prof. Goddard, vi lärde oss ganska mycket när det gäller hur denna kol-kvävebindning bildades på ytan av katalysatorn, "sa Jiao." Detta gav oss viktiga insikter om hur vi kan designa ännu bättre katalysatorer för att underlätta några av dessa typer av kemiska reaktioner. "

Konsekvenserna av detta arbete kan vara långtgående.

"Detta har en betydande inverkan på vägen, Jag tror, att delvis ta upp koldioxidutsläppsproblem, "sa Jiao." Nu kan vi faktiskt använda det som kolråvara för att producera högkvalitativa kemikalier. "