นักวิจัยได้พัฒนาแนวคิดที่มีประสิทธิภาพในการเปลี่ยนคาร์บอนไดออกไซด์ให้เป็นเชื้อเพลิงที่สะอาดและยั่งยืน โดยไม่มีผลพลอยได้หรือของเสียที่ไม่ต้องการ
นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ได้แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ว่าตัวเร่งปฏิกิริยาทางชีวภาพหรือเอนไซม์สามารถผลิตเชื้อเพลิงได้อย่างหมดจดโดยใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียน แต่มีประสิทธิภาพต่ำ
งานวิจัยล่าสุดของพวกเขาได้ปรับปรุงประสิทธิภาพการผลิตเชื้อเพลิงขึ้น 18 เท่าในห้องปฏิบัติการ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการปล่อยก๊าซคาร์บอนที่ก่อมลพิษสามารถเปลี่ยนเป็นเชื้อเพลิงที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยไม่สูญเสียพลังงาน รายงานผลการวิจัยในเอกสารที่เกี่ยวข้องสองฉบับใน Nature Chemistry and Proceedings of the National Academy of Sciences
วิธีการส่วนใหญ่ในการแปลง CO2 เป็นเชื้อเพลิงยังผลิตผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ เช่น ไฮโดรเจน นักวิทยาศาสตร์สามารถเปลี่ยนแปลงสภาพทางเคมีเพื่อลดการผลิตไฮโดรเจนได้ แต่สิ่งนี้ยังลดประสิทธิภาพในการแปลง CO2 ด้วย: เพื่อให้สามารถผลิตเชื้อเพลิงที่สะอาดขึ้นได้ แต่ต้องแลกมาด้วยต้นทุนด้านประสิทธิภาพ
การพิสูจน์แนวคิดที่เคมบริดจ์พัฒนาขึ้นนั้นอาศัยเอ็นไซม์ที่แยกได้จากแบคทีเรียเพื่อขับเคลื่อนปฏิกิริยาเคมีที่เปลี่ยน CO2 เป็นเชื้อเพลิง กระบวนการที่เรียกว่าอิเล็กโทรลิซิส เอ็นไซม์มีประสิทธิภาพมากกว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอื่นๆ เช่น ทองคำ แต่มีความไวสูงต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีในท้องถิ่น หากสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นไม่ถูกต้อง เอ็นไซม์จะแตกออกจากกันและปฏิกิริยาเคมีจะช้า
นักวิจัยของเคมบริดจ์ซึ่งทำงานร่วมกับทีมจาก Universidade Nova de Lisboa ในโปรตุเกสได้พัฒนาวิธีการปรับปรุงประสิทธิภาพของอิเล็กโทรไลซิสโดยการปรับสภาวะการแก้ปัญหาเพื่อเปลี่ยนแปลงสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นของเอนไซม์
ดร.เอสเธอร์ เอ็ดเวิร์ดส์ มัวร์ จาก Yusuf Hamied Department of Chemistry แห่งเคมบริดจ์ กล่าวว่า “เอ็นไซม์มีวิวัฒนาการมาเป็นเวลาหลายล้านปีให้มีประสิทธิภาพและคัดเลือกอย่างดีเยี่ยม และเหมาะสำหรับการผลิตเชื้อเพลิงเพราะไม่มีผลพลอยได้ใดๆ ที่ไม่พึงประสงค์” ผู้เขียน กระดาษPNAS “อย่างไรก็ตาม ความไวต่อเอนไซม์ทำให้เกิดความท้าทายที่แตกต่างกันออกไป วิธีการของเราคำนึงถึงความไวนี้ เพื่อให้สภาพแวดล้อมในท้องถิ่นถูกปรับให้เข้ากับสภาพการทำงานในอุดมคติของเอนไซม์”
นักวิจัยใช้วิธีการคำนวณเพื่อออกแบบระบบเพื่อปรับปรุงอิเล็กโทรไลซิสของ CO2 การใช้ระบบที่ใช้เอนไซม์ทำให้ระดับการผลิตเชื้อเพลิงเพิ่มขึ้น 18 เท่าเมื่อเทียบกับโซลูชันมาตรฐานปัจจุบัน
เพื่อปรับปรุงสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นให้ดียิ่งขึ้น ทีมงานได้แสดงให้เห็นว่าเอ็นไซม์สองชนิดสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างไร เอนไซม์หนึ่งผลิตเชื้อเพลิงและอีกชนิดหนึ่งควบคุมสิ่งแวดล้อม พวกเขาพบว่าการเพิ่มเอ็นไซม์อื่นทำให้ปฏิกิริยาเร็วขึ้น ทั้งเพิ่มประสิทธิภาพและลดผลพลอยได้ที่ไม่ต้องการ
ดร.แซม คอบบ์ ผู้เขียนหนังสือ Nature Chemistry ฉบับแรกกล่าวว่า “เราลงเอยด้วยเชื้อเพลิงที่เราต้องการ โดยไม่มีผลิตภัณฑ์ข้างเคียง และมีเพียงการสูญเสียพลังงานเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทำให้เกิดเชื้อเพลิงสะอาดอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด” “การใช้แรงบันดาลใจจากชีววิทยาจะช่วยให้เราพัฒนาระบบตัวเร่งปฏิกิริยาสังเคราะห์ที่ดีขึ้น ซึ่งเป็นสิ่งที่เราต้องการหากเราจะปรับใช้กระแสไฟฟ้า CO2 ในปริมาณมาก”
“อิเล็กโทรไลซิสมีส่วนสำคัญในการลดการปล่อยคาร์บอน” ศาสตราจารย์เออร์วินไรส์เนอร์ ผู้นำการวิจัยกล่าว “แทนที่จะดักจับและจัดเก็บ CO2 ซึ่งใช้พลังงานมากอย่างไม่น่าเชื่อ เราได้แสดงให้เห็นแนวคิดใหม่ในการดักจับคาร์บอนและทำสิ่งที่มีประโยชน์จากคาร์บอนไดออกไซด์ด้วยวิธีที่ประหยัดพลังงาน”
นักวิจัยกล่าวว่าเคล็ดลับในการอิเล็กโทรไลซิส CO2 ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นนั้นอยู่ในตัวเร่งปฏิกิริยา มีการปรับปรุงครั้งใหญ่ในการพัฒนาตัวเร่งปฏิกิริยาสังเคราะห์ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา แต่ก็ยังขาดเอนไซม์ที่ใช้ในงานนี้
“เมื่อคุณจัดการตัวเร่งปฏิกิริยาได้ดีขึ้น ปัญหามากมายของอิเล็กโทรลิซิส CO2 ก็จะหายไป” คอบบ์กล่าว “เรากำลังแสดงให้ชุมชนวิทยาศาสตร์เห็นว่า เมื่อเราสามารถผลิตตัวเร่งปฏิกิริยาแห่งอนาคตได้แล้ว เราจะสามารถขจัดอุปสรรคต่างๆ ที่เกิดขึ้นในปัจจุบันได้ เนื่องจากสิ่งที่เราเรียนรู้จากเอนไซม์สามารถถ่ายโอนไปยังตัวเร่งปฏิกิริยาสังเคราะห์ได้”
“เมื่อเราออกแบบแนวคิดนี้แล้ว การปรับปรุงประสิทธิภาพก็น่าตกใจ” เอ็ดเวิร์ดส์ มัวร์กล่าว “ฉันกังวลว่าเราจะต้องใช้เวลาหลายปีในการพยายามทำความเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้นในระดับโมเลกุล แต่เมื่อเราชื่นชมอิทธิพลของสภาพแวดล้อมในท้องถิ่นอย่างแท้จริงแล้ว สภาพแวดล้อมก็พัฒนาขึ้นอย่างรวดเร็ว”
“ในอนาคตเราต้องการใช้สิ่งที่เราได้เรียนรู้เพื่อจัดการกับปัญหาที่ท้าทายซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาที่ล้ำสมัยในปัจจุบันต้องเผชิญ เช่น การใช้ CO2 โดยตรงจากอากาศ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้เป็นสภาวะที่คุณสมบัติของเอนไซม์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาในอุดมคติ เปล่งประกายจริงๆ” คอบบ์กล่าว
Erwin Reisner เป็นเพื่อนของ St John’s College, Cambridge แซม คอบบ์ เป็นนักวิจัยของวิทยาลัยดาร์วิน เคมบริดจ์ เอสเธอร์ เอ็ดเวิร์ดเดส มัวร์ สำเร็จการศึกษาระดับปริญญาเอกจากวิทยาลัยคอร์ปัส คริสตี เมืองเคมบริดจ์ การวิจัยได้รับการสนับสนุนบางส่วนโดย European Research Council, Leverhulme Trust และ Engineering and Physical Sciences Research Council
อ้างอิง:
Samuel J. Cobb et al. ‘ จลนพลศาสตร์ไฮเดรชั่นของ CO2 อย่างรวดเร็วทำให้เสียความแตกต่าง แต่ปรับปรุงตัวเร่งปฏิกิริยาการลด CO2 ของเอนไซม์ ‘ เคมีธรรมชาติ (2022). ดอย: 10.1038/s41557-021-00880-2
เอสเธอร์ เอ็ดเวิร์ด มัวร์ และคณะ ‘ การทำความเข้าใจสภาพแวดล้อมทางเคมีในท้องถิ่นของ Bioelectrocatalysis การดำเนินการของ National Academy of Sciences (2022) ดอย: 10.1073/pnas.2114097119
