Шама Шарада называет углекислый газ - главного виновника глобального потепления - очень стабильной, «очень счастливой молекулой».
Она стремится изменить это.
Недавно опубликованный в Journal of Physical Chemistry A, Шарада и группа исследователей из Инженерной школы Университета Южной Калифорнии в Витерби стремятся разделить CO2 и преобразовать парниковый газ в полезных материалов, таких как топливо или потребительские товары, от фармацевтических препаратов до полимеров.
Обычно этот процесс требует огромного количества энергии. Однако в первом в своем роде вычислительном исследовании Шарада и ее команда заручились более надежным союзником: солнцем.
В частности, они продемонстрировали, что ультрафиолетовый (УФ) свет может быть очень эффективным для возбуждения органической молекулы олигофенилена. Под воздействием УФ-излучения олигофенилен становится отрицательно заряженным «анионом», легко переносящим электроны на ближайшую молекулу, такую как CO2, тем самым делая CO2реактивны и могут быть уменьшены и превращены в такие вещи, как пластик, наркотики или даже мебель.
"CO2, как известно, трудно уменьшить, поэтому он десятилетиями живет в атмосфере", - сказал Шарада. «Но этот отрицательно заряженный анион способен восстанавливать даже такое стабильное вещество, как CO2, поэтому он многообещающий и почему мы его изучаем».
Быстро растущая концентрация углекислого газа в атмосфере Земли - одна из самых актуальных проблем, которую человечество должно решить, чтобы избежать климатической катастрофы.
С начала индустриальной эпохи люди увеличили выбросы CO2 в атмосферу на 45% за счет сжигания ископаемого топлива и других выбросов. В результате средние глобальные температуры сейчас на два градуса по Цельсию выше, чем в доиндустриальную эпоху. Благодаря парниковым газам, таким как CO2, солнечное тепло остается в нашей атмосфере, нагревая нашу планету.
Исследовательскую группу из отдела химического машиностроения и материаловедения семьи Морк возглавлял доктор философии третьего года обучения. студентка Кариса Крон под руководством Шарады, доцента WISE Gabilan. Работа была написана в соавторстве с Самантой Дж. Гомес из средней школы Медицинского магнита им. Франсиско Браво, которая участвовала в программе молодых исследователей Университета Южной Калифорнии, позволяющей старшеклассникам из малопредставленных областей принять участие в исследованиях STEM.
Многие исследовательские группы изучают методы преобразования CO2, улавливаемого из выбросов, в топливо или углеродсодержащее сырье для потребительских товаров, от фармацевтических препаратов до полимеров.
В процессе традиционно используется либо тепло, либо электричество вместе с катализатором для ускорения преобразования CO2 в продукты. Однако многие из этих методов часто являются энергоемкими, что не идеально подходит для процесса, направленного на снижение воздействия на окружающую среду. Использование солнечного света вместо этого для возбуждения молекулы катализатора привлекательно, потому что это энергоэффективно и устойчиво.
«Большинство других способов сделать это включают использование химикатов на основе металлов, а эти металлы - редкоземельные металлы», - сказал Шарада. «Они могут быть дорогими, их трудно найти, и они потенциально могут быть токсичными».
Шарада сказал, что альтернативой является использование органических катализаторов на основе углерода для проведения этой конверсии с помощью света. Тем не менее, этот метод имеет свои собственные проблемы, которые исследовательская группа стремится решить. Команда использует моделирование квантовой химии, чтобы понять, как электроны перемещаются между катализатором и CO2, чтобы определить наиболее жизнеспособные катализаторы для этой реакции.
Шарада сказал, что эта работа была первым вычислительным исследованием такого рода, поскольку исследователи ранее не изучали основной механизм перемещения электрона из органической молекулы, такой как олигофенилен, в CO2 Команда обнаружила, что они могут выполнять систематические модификации олигофениленового катализатора, добавляя группы атомов, которые придают определенные свойства при связывании с молекулами, которые стремятся подтолкнуть электроны к центру катализатора, чтобы ускорить реакцию.
Несмотря на трудности, Шарада рада возможностям, открывающимся перед ее командой.
«Одна из этих проблем заключается в том, что да, они могут использовать радиацию, но очень небольшая ее часть находится в видимой области, где вы можете посветить на нее, чтобы произошла реакция», - сказал Шарада. «Обычно для этого нужна УФ-лампа».
Шарада сказал, что команда сейчас изучает стратегии дизайна катализатора, которые не только приводят к высокой скорости реакции, но и позволяют возбуждать молекулу видимым светом, используя как квантовую химию, так и генетические алгоритмы.
Гомез была старшеклассницей в школе Bravo Medical Magnet в то время, когда летом она принимала участие в программе молодых исследователей Университета Южной Калифорнии, работая в лаборатории Шарады. Крон непосредственно наставлял и обучал ее теории и моделированию. Шарада сказала, что вклад Гомес был настолько впечатляющим, что команда согласилась, что она заслуживает авторства в статье.
Гомез сказала, что ей понравилась возможность работать над важными исследованиями, способствующими экологической устойчивости. Она сказала, что ее роль заключалась в проведении вычислительных исследований, в которых определялось, какие структуры способны значительно снизить выбросы CO2..
«Традиционно нам показывают, что исследования проводятся в лабораториях, где вы должны носить лабораторные халаты и работать с опасными химическими веществами», - сказал Гомес. «Мне нравилось, что каждый день я узнавал что-то новое об исследованиях, о которых я не знал, что их можно проводить просто с помощью компьютерных программ».
Прямой опыт, который я получил, был просто лучшим из того, о чем я мог желать, поскольку он позволил мне изучить мой интерес к области химической инженерии и увидеть, как существует множество способов спасения жизни. исследования могут быть достигнуты», - сказал Гомес.