DNA的新用途：用DNA吸附固定催化劑 高效電還原二氧化碳

將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品首先需要將其轉(zhuǎn)化為一氧化碳。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的一種方法是用電，但這種電催化所需的能量非常高。為了降低成本需要使用催化劑，以加快反應(yīng)速度，降低反應(yīng)所需的能量。如果能解決這個(gè)問題，電化學(xué)還原二氧化碳(CO2)是一種很有前途的、將工業(yè)副產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為有用物質(zhì)的途徑。用于該反應(yīng)的一種催化劑是一類被稱為卟啉的小分子催化劑，它含有鐵或鈷等金屬，其結(jié)構(gòu)與血液中攜帶氧氣的血紅素分子相似。在電化學(xué)反應(yīng)中，電化學(xué)裝置含有驅(qū)動(dòng)電極，二氧化碳溶解在裝置內(nèi)的水中，要使得二氧化碳和催化劑能夠在電極表面相遇，懸浮在溶液中的催化劑必須非?？拷姌O表面，而這種效率并不高。

為了使反應(yīng)更頻繁地發(fā)生，從而提高電化學(xué)轉(zhuǎn)化的效率，麻省理工學(xué)院的Furst探究了將催化劑附著在電極表面的方法。從大自然中獲得靈感，他們將DNA作為分子尺度的“魔術(shù)貼”來研究三種卟啉基催化劑在電極上的吸附固定。“DNA相對(duì)便宜，你可以用化學(xué)方法修改它，你可以通過改變序列來控制兩條鏈之間的相互作用?！薄斑@就像一個(gè)特定序列的魔術(shù)貼，具有很強(qiáng)但可逆的相互作用，你可以控制?！笔紫仁菍捂淒NA連接到碳電極上——研究人員使用了兩個(gè)“化學(xué)手柄”，一個(gè)在DNA上，一個(gè)在石墨電極上，可以形成一個(gè)永久的連接。然后將一個(gè)互補(bǔ)的DNA序列附著在卟啉催化劑上，這樣當(dāng)催化劑被添加到溶液中時(shí)，它就會(huì)可逆地與已經(jīng)附著在電極上的DNA結(jié)合——就像魔術(shù)貼一樣。

一旦這個(gè)系統(tǒng)建立起來，研究人員就會(huì)在電極上施加一個(gè)電位(或偏置)，催化劑就會(huì)利用這個(gè)能量將溶液中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為一氧化碳。利用這種方法，研究人員能夠?qū)⒎磻?yīng)的法拉第效率提高到100%，這意味著所有進(jìn)入系統(tǒng)的電能都直接進(jìn)入化學(xué)反應(yīng)，沒有能量浪費(fèi)。催化劑沒有被DNA吸附固定時(shí)反應(yīng)的法拉第效率只有40%左右。更妙的是，在催化劑磨損后，可以通過加熱系統(tǒng)來破壞兩條DNA鏈之間的可逆鍵，將它們從表面釋放出來，并用新的DNA鏈代替。

作者在論文中介紹：“這種偶聯(lián)策略提高了催化劑的穩(wěn)定性和它們的法拉第效率(FEs)。通過DNA雜交將DNA-催化劑偶聯(lián)物固定在絲網(wǎng)印刷碳和碳紙電極上，效率接近100%。固定后，在相關(guān)電位下觀察到更高的催化劑穩(wěn)定性。此外，一氧化碳(CO)的生成需要較低的過電位。最后，與未修飾的小分子體系相比，DNA固定催化劑的CO生成FE較高，在?0.95 V vs SHE條件下，DNA固定催化劑的CO生成FE高達(dá)79.1%。”。這項(xiàng)工作證明了DNA“尼龍搭扣”作為一種強(qiáng)大的催化劑固定策略的潛力，同時(shí)證明了分子催化劑對(duì)CO2增值的催化特性的改進(jìn)，這一策略有望推廣到水溶液中進(jìn)行的任何反應(yīng)。

Furst說，這項(xiàng)技術(shù)可以很容易地?cái)U(kuò)大到工業(yè)用途，因?yàn)檠芯咳藛T使用的碳電極比傳統(tǒng)的金屬電極便宜得多。這種催化劑也很便宜，因?yàn)樗鼈儾缓魏钨F金屬，而且只需要在電極表面添加少量的催化劑。通過交換不同的催化劑，研究人員計(jì)劃嘗試用這種方法制造其他產(chǎn)品，如甲醇和乙醇。由Furst創(chuàng)辦的Helix Carbon公司也在致力于進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，以用于潛在的商業(yè)用途。如果擴(kuò)大到工業(yè)用途，這一過程可以幫助去除發(fā)電廠和其他來源的二氧化碳，減少排放到大氣中的溫室氣體量?！斑@將允許你從排放或溶解在海洋中的二氧化碳中提取二氧化碳，并將其轉(zhuǎn)化為有利可圖的化學(xué)物質(zhì)。這確實(shí)是脫碳的一條前進(jìn)之路，因?yàn)槲覀兛梢园讯趸歼@種溫室氣體轉(zhuǎn)化為對(duì)化學(xué)制造有用的東西?！薄urst已經(jīng)成立了一家名為Helix Carbon的公司來進(jìn)一步開發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。

來源：MIT麻省理工

亞氯酸鈉（Sodium hypochlorite，化學(xué)式：NaClO）是一種無色或淡黃色液體，常用作漂白劑和消毒劑。以下是亞氯酸鈉的一些化學(xué)性質(zhì)：

1. 氧化性：亞氯酸鈉是一種氧化性化合物，能夠與許多物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)。

2. 氯化性：亞氯酸鈉在水中能夠迅速分解，生成次氯酸（HClO）和氫氧化鈉（NaOH）。亞氯酸是一種比亞氯酸鈉更強(qiáng)的氧化劑。

3. 消毒性：亞氯酸鈉具有較強(qiáng)的殺菌消毒作用，可用消毒水源、池塘和水處理。

4. 漂白性：亞氯酸鈉可用作漂白劑，能夠?qū)⒃S多染料和有機(jī)物氧化漂白。

5. 不穩(wěn)定性：亞氯酸鈉在陽(yáng)光照射下會(huì)逐漸分解，所以需要存放在暗處，避免陽(yáng)光直射。

需要注意的是，亞氯酸鈉是一種腐蝕性較強(qiáng)的化學(xué)物質(zhì)，在處理和使用時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。同時(shí)，避免與酸性物質(zhì)或易燃物質(zhì)接觸，以免引發(fā)危險(xiǎn)反應(yīng)。