二氧化碳(一氧化碳2)是气候变化的主要贡献者，也是许多人类活动，特别是工业制造业的重要产物。能源领域的一个主要目标是对排放的一氧化碳进行化学转化。2转化为有价值的化学品或燃料。但是，虽然一氧化碳2是丰富的可用，它尚未被广泛用于产生增值产品。为什么不呢?
原因是一氧化碳2分子是高度稳定的，因此不容易被化学转化为不同的形式。研究人员一直在寻找可以帮助刺激这种转变的材料和设备设计，但没有什么能很好地产生一个高效、具有成本效益的系统。
两年前，Ariel Furst，雷蒙德(1921年)和麻省理工学院化学工程的海伦·圣洛朗职业发展教授，决定尝试使用一些不同的东西 - 一种在生物学讨论中比化学工程更受关注的材料。她实验室的工作结果表明，她不寻常的方法正在取得成效。
绊脚石
挑战始于 CO 的第一步2转换过程。在转化为有用的产品之前，CO2必须化学转化为一氧化碳(CO)。可以使用电化学来鼓励这种转换，电化学是一种过程，其中输入电压提供制造稳定CO所需的额外能量2分子发生反应。问题在于实现 CO2到CO的转换需要大量的能量输入 - 即使这样，CO也只占所形成产品的一小部分。
为了探索改进这一过程的机会，Furst和她的研究小组专注于电催化剂，这是一种可以提高化学反应速率的材料，而不会在此过程中消耗。催化剂是成功运行的关键。在电化学装置内部，催化剂通常悬浮在水(水基)溶液中。当向淹没的电极施加电势(本质上是电压)时，溶解的CO2在催化剂的帮助下，将转化为 CO。
但有一个绊脚石：催化剂和一氧化碳2必须在电极表面相遇才能发生反应。根据Furst的说法，在一些研究中，催化剂分散在溶液中，但这种方法需要更多的催化剂，并且效率不高。“你们都必须等待一氧化碳的扩散。2在反应发生之前，催化剂和催化剂到达电极，“她解释说。因此，世界各地的研究人员一直在探索将催化剂“固定”在电极上的不同方法。
连接催化剂和电极
在 Furst 深入研究这一挑战之前，她需要决定两种类型的 CO 中的哪一种2可加工的转化催化剂：传统的固态催化剂或由小分子组成的催化剂。在研究文献时，她得出结论，小分子催化剂最有希望。虽然它们的转化效率往往低于固态版本，但分子催化剂提供了一个重要的优势：它们可以进行调整以强调感兴趣的反应和产物。
通常使用两种方法将小分子催化剂固定在电极上。一种涉及通过强共价键将催化剂连接到电极 - 一种原子共享电子的键;结果是一个强大的，基本上是永久的连接。另一种在催化剂和电极之间建立非共价连接;与共价键不同，这种连接很容易被破坏。
这两种方法都不理想。在前一种情况下，催化剂和电极牢固地连接在一起，确保有效的反应;但是当催化剂的活性随着时间的推移而降低时(它会降低)，电极不能再被接近。在后一种情况下，可以除去降解的催化剂;但是催化剂的小分子在电极上的确切位置是无法控制的，导致催化效率不一致，通常降低 - 并且简单地增加电极表面上的催化剂量而不关心分子的位置并不能解决问题。
需要的是一种将小分子催化剂牢固而准确地定位在电极上的方法，然后在其降解时释放它。对于这项任务，Furst转向了她和她的团队所认为的一种“可编程分子魔术贴”：脱氧核糖核酸或DNA。
将脱氧核糖核酸添加到混合物中
向大多数人提到DNA，他们就会想到生物的生物功能。但弗斯特实验室的成员认为DNA不仅仅是遗传密码。“DNA作为一种人们不经常想到的生物材料，具有这些非常酷的物理特性，”她说。“DNA可以用作分子魔术贴，可以非常高精度地将东西粘在一起。
弗斯特知道DNA序列以前曾用于固定表面上的分子以用于其他目的。因此，她设计了一个计划，使用DNA来指导一氧化碳催化剂的固定化。2转换。
她的方法取决于一种众所周知的DNA行为，称为杂交。熟悉的DNA结构是当两条互补链连接时形成的双螺旋。当单个链中的碱基序列(DNA的四个构建块)匹配时，互补碱基之间形成氢键，将链牢固地连接在一起。
使用该行为进行催化剂固定化涉及两个步骤。首先，研究人员将单链DNA连接到电极上。然后，它们将互补链连接到漂浮在水溶液中的催化剂上。当后一股靠近前者时，两股股杂交;它们通过正确配对的碱基之间的多个氢键连接在一起。结果，催化剂通过两条互锁的自组装DNA链牢固地固定在电极上，一条连接到电极，另一条连接到催化剂。
更好的是，两条线可以彼此分离。“连接是稳定的，但是如果我们加热它，我们可以去除上面有催化剂的二级链，”Furst说。“所以我们可以去杂交它。这使我们能够回收电极表面 - 无需拆卸设备或进行任何苛刻的化学步骤。
实验研究
为了探索这个想法，Furst和她的团队 - 博士后Gang Fan和Thomas Gill，前研究生Nathan Corbin博士'21，以及前博士后Amruta Karbelkar - 使用三种基于卟啉的小分子催化剂进行了一系列实验，卟啉是一组对从酶活性到氧气运输过程具有生物学重要性的化合物。其中两种催化剂涉及合成卟啉和钴或铁的金属中心。第三个催化剂是血红素，一种用于治疗卟啉症的天然卟啉化合物，卟啉是一组可能影响神经系统的疾病。“因此，即使是我们选择的小分子催化剂也受到大自然的启发，”Furst评论道。
在他们的实验中，研究人员首先需要修饰DNA的单链，并将其沉积在浸没在电化学池内溶液中的一个电极上。虽然这听起来很简单，但它确实需要一些新的化学反应。在Karbelkar和三年级本科生研究员Rachel Ahlmark的带领下，该团队开发了一种快速，简单的方法将DNA连接到电极上。对于这项工作，研究人员的重点是连接DNA，但他们开发的“系留”化学也可用于连接酶(蛋白质催化剂)，Furst认为它将作为修饰碳电极的一般策略非常有用。
一旦DNA的单链沉积在电极上，研究人员就合成了互补链，并将三种催化剂中的一种附着在它们身上。当将带有催化剂的DNA链加入到电化学池中的溶液中时，它们很容易与电极上的DNA链杂交。半小时后，研究人员向电极施加电压以化学转化CO2溶解在溶液中，并使用气相色谱仪分析转化产生的气体的组成。
研究小组发现，当DNA连接的催化剂自由分散在溶液中时，它们是高度可溶的 - 即使它们包括不溶于水的小分子催化剂。事实上，虽然溶液中基于卟啉的催化剂经常粘在一起，但一旦DNA链连接，这种适得其反的行为就不再明显了。