Labmedya - Laboratuvar ve Sağlık Gazetesi

Cambridge Üniversitesi'nden araştırmacılar, daha önce biyolojik katalizörlerin veya enzimlerin yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanarak temiz, ancak düşük verimlilikte yakıt üretebileceğini göstermiştiler.

En son yapılan araştırmalar, bir laboratuvar ortamında yakıt üretim verimliliğini 18 kat artırdı ve kirletici karbon emisyonlarının herhangi bir enerji israfı olmadan verimli bir şekilde yeşil yakıtlara dönüştürülebileceğini gösterdi. Sonuçlar, Nature Chemistry ve Proceedings of the National Academy of Sciences'da bulunan ilgili iki makalede rapor edildi.

Karbondioksiti yakıta dönüştürmek için kullanılan çoğu yöntem, hidrojen gibi istenmeyen yan ürünler de üretir. Bilim insanları, hidrojen üretimini en aza indirmek için kimyasal koşulları değiştirebilirler, ancak bu aynı zamanda karbondioksit dönüşümü performansını da düşürür: Böylece daha temiz yakıt üretilebilir, ancak verimlilikten fedakârlık etme pahasına.

Cambridge tarafından geliştirilip kanıtlanan konsept; elektroliz adı verilen bir işlem olan karbondioksiti yakıta dönüştüren ve kimyasal reaksiyonlara güç sağlamak için bakterilerden izole edilen enzimlere dayanır. Enzimler altın gibi diğer katalizörlerden daha verimlidir, ancak yerel kimyasal ortamlarına karşı oldukça hassastırlar. Yerel ortam tam olarak doğru değilse enzimler parçalanır ve kimyasal reaksiyonlar yavaşlar.

Portekiz'de bulunan Universidade Nova de Lisboa'dan bir ekiple çalışan Cambridge araştırmacıları, enzimlerin yerel ortamını değiştirmek için çözelti koşullarına ince ayar yaparak elektrolizin verimliliğini artırmak için bir yöntem geliştirdiler.

PNAS makalesinin ilk yazarı ve Cambridge Yusuf Hamied Kimya Bölümü'nden Dr. Esther Edwardes Moore, “Enzimler son derece verimli ve seçici olmak için milyonlarca yıl içinde evrim geçirdiler ve yakıt üretimi için harikadırlar, çünkü istenmeyen herhangi bir yan ürün yok. Öte yandan enzim duyarlılığı farklı bir dizi zorluk ortaya çıkarıyor. Yöntemimiz bu hassasiyeti hesaba katmaktadır, böylece yerel ortam enzimin ideal çalışma koşullarına uyacak şekilde ayarlanmaktadır" dedi.

Araştırmacılar, karbondioksitin elektrolizini iyileştirecek bir sistem tasarlayabilmek için hesaplama yöntemlerini kullandılar. Enzim bazlı sistem kullanılarak yakıt üretim seviyesi mevcut çözümlere kıyasla 18 kat arttı.

Ekip yerel çevreyi daha da iyileştirmek için biri yakıt üreten ve diğeri çevreyi kontrol eden iki enzimin birlikte nasıl çalışabileceğini gösterdi. Başka bir enzim ekleyerek bu enzimin; reaksiyonları hızlandırmakla birlikte verimliliği de artırdığını ve istenmeyen yan ürünleri azalttığını buldular.

Nature Chemistry gazetesinin ilk yazarı Dr. Sam Cobb, “Yan ürün olmadan ve yalnızca marjinal enerji kayıpları olmadan tam istediğimiz yakıtı elde ettik ve maksimum verimlilikte temiz yakıtlar ürettik. Biyolojiden ilham almamız, daha iyi sentetik katalizör sistemleri geliştirmemize yardımcı olacak. Bu da büyük ölçekte karbondioksit elektrolizini dağıtacaksak ihtiyacımız olan şey" dedi.

Araştırmayı yöneten Profesör Erwin Reisner, "Elektrolizin karbon emisyonlarını azaltmada büyük bir rolü var. İnanılmaz derecede enerjisi yoğun olan karbondioksiti yakalamak ve depolamak yerine, karbonu yakalamak ve ondan enerjiyi verimli bir şekilde faydalı bir şey yapmak için yeni bir konsept geliştirdik" dedi.

Araştırmacılar verimli karbondioksit elektrolizinin sırrının katalizörlerde yattığını söylüyorlar. Son yıllarda sentetik katalizörlerin geliştirilmesinde büyük gelişmeler oldu, ancak bunlar hala bu çalışmada kullanılan enzimlerin gerisinde kalıyor.

Makaleler: Fast CO2 hydration kinetics impair heterogeneous but improve enzymatic CO2 reduction catalysis

https://www.nature.com/articles/s41557-021-00880-2

Understanding the local chemical environment of bioelectrocatalysis

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2114097119