模拟酶的纳米级材料可以将二氧化碳转化为化学构件

蒙大拿州立大学研究员詹姆斯·克劳福德最近与国家可再生能源实验室发表了一篇合作论文，这标志着他们在追寻他所谓的化学“圣杯”方面迈出了一步：将温室气体二氧化碳转化为可用于制造无数其他材料的化学构件。

这篇论文《沸石双功能材料高选择性反应性二氧化碳捕获》发表在《ACS催化》杂志上。该杂志的封面上展示了二氧化碳转化过程的原子级图示。

密歇根州立大学诺姆·阿斯比约森工程学院化学与生物工程助理教授克劳福德表示：“我们成功地捕获了二氧化碳，然后利用功能化的微孔材料将其转化为甲烷和一氧化碳。甲烷是一种可直接使用的能源，与现有的天然气基础设施兼容。一氧化碳名声不好，但事实证明，它是生产合成燃料和化学品的重要反应物。”

碳元素存在于所有生物中。它是人体中第二丰富的元素，也是宇宙中第四丰富的元素。它存在于生物燃料、化学品、纺织品和建筑材料中。它也是二氧化碳(通常称为CO2)中的一种名义元素，二氧化碳占地球大气的不到1%。除了被人类呼出外，这种无色、无味、吸热的气体也是燃烧石油、天然气、汽油和煤炭等化石燃料的副产品之一。

现有的从大气中去除二氧化碳的方法大多是储存气体，而不是将其转化为新产品。

“我们试图通过化学键将二氧化碳锁住，从而引入另一种捕获二氧化碳的方法，”克劳福德说道，他也是密歇根州立大学能源研究所和生物膜工程中心的成员。“如果你能将二氧化碳和水等大气气体转化为一氧化碳和氢气，那么你就可以将它们结合起来，制造出几乎任何碳氢化合物。”

碳氢化合物是完全由氢和碳组成的有机化合物，这使得它们可用作许多化合物和材料的组成部分。

“数十亿年来，生物催化剂或酶一直在循环利用大气中的气体，”他说。“我的团队对了解酶并在坚固的固态催化剂中复制其功能很感兴趣。这将使它们能够用于严苛的工业过程。”

他的团队对能够选择性地从空气中吸收二氧化碳并能使分子发生化学反应的材料很感兴趣。“这些催化剂必须具有二氧化碳附着位点，以及允许发生化学重建的反应结构，”克劳福德说。

这需要具有可定制纳米级结构的材料，尺寸以十亿分之一米为单位。他特别感兴趣的是两种材料：沸石，一种类似陶瓷的材料;以及金属有机骨架，其中金属节点与有机连接体相连。这两种材料都具有微孔和化学“可调性”，可以创建二氧化碳捕获和转化位点。

克劳福德说：“我们在实验室中采用结合溶剂、热量和压力的工艺来生成沸石和金属有机骨架，以推动催化剂的形成。”

克劳福德曾在密歇根州立大学获得化学和生物工程学士学位，之后在科罗拉多矿业学院获得博士学位，他表示希望基于这些新兴技术，他的研究有朝一日能够设计出具有“仿生”特性的更高效的纳米催化剂，即模拟生物过程。

“生物学已经解决了许多问题，”克劳福德说。“我们正在制造仿生材料，有朝一日，这些材料将能够控制二氧化碳转化过程，生成我们最需要的化学物质。”