Heterogen katalysator bliver enzymatisk

Hvad hvis der ikke var tunneler i de schweiziske alper? Enhver, der forsøger at rejse gennem dem, ville være nødt til at gå op og ned ad bakker og zigzagge rundt i bjergkæderne. Der spares meget mere energi og tid ved at passere gennem en tunnel end at bestige et bjerg. Dette svarer til, hvordan katalysatorer fungerer:de fremskynder kemiske reaktioner ved at sænke den energi, der kræves for at nå den ønskede fysiske tilstand.

I industrielle fremstillingsprocesser, heterogen katalyse, som typisk involverer brugen af ​​faste katalysatorer placeret i en væske- eller gasreaktionsblanding, har mange potentielle anvendelsesmuligheder. At være i en anden fase, heterogene katalysatorer kan let adskilles fra en reaktionsblanding. På denne måde katalysatorerne kan effektivt genvindes og genanvendes, være ret miljøvenlige. Ud over, de udviser meget stabil aktivitet selv under barske reaktionsbetingelser. På trods af sådanne fordele, heterogen katalyse er blevet anset for at muliggøre mindre interaktion og kontrollerbarhed end homogen katalyse på grund af en dårlig forståelse af dens reaktionsproces.

Forskere ved Center for Nanopartikelforskning (ledet af direktør Taeghwan Hyeon) i Institute for Basic Science (IBS) i samarbejde med professor Ki Tae Nam ved Seoul National University og professor Hyungjun Kim ved KAIST demonstrerede enzymlignende heterogen katalyse for første gang . De udviklede en meget aktiv heterogen TiO ₂ fotokatalysator inkorporeret med mange enkelte kobberatomer. De brugte denne katalysator til fotokatalytisk brintproduktion, og fandt, at katalysatoren er lige så aktiv som den mest aktive og dyreste Pt-TiO ₂ katalysator.

Forskerne var forpligtet til at modellere katalysatorstrukturen på samme måde som de mest effektive og reaktive katalysatorer, der er biologiske enzymer. Enzymer omfatter katalytisk aktive metalatomer og omgivende proteiner, der arbejder meget tæt sammen for at holde deres tilbagekoblinger i bevægelse frem og tilbage. Takket være denne samarbejdsvillige interne kommunikation, enzymer kan hurtigt tilpasse deres struktur, så de passer optimalt til ønskede reaktioner (generelt kendt som induced-fit model). Under tilpasningen, enzymer vender periodisk tilbage til deres oprindelige former og bliver omdannet. Professor Hyeon siger, "For første gang, vi fandt ud af, at en enzymlignende reversibel og kooperativ aktiveringsproces forekommer selv i heterogene katalysatorer. Dette er en hidtil uset platform, der kombinerer fordelene ved både heterogene katalysatorer og biologiske enzymer. Mens de byder på den robuste stabilitet af heterogene katalysatorer, kooperative og reversible egenskaber af enzymer tilføjer betydelig kontrollerbarhed, som i sidste ende bringer høj aktivitet til produktion af brint (det mest effektive og ideelle brændstof) fra fotokatalytiske vandspaltningsreaktioner."

Biologiske enzymer er blevet betragtet som en central model for udvikling af kunstige katalysatorer. De er med succes blevet brugt til at designe homogene katalysatorer til forskellige reaktioner. Stadig, der havde ikke været nogen rapport om industrielt vigtige heterogene katalysatorer med disse enzymlignende egenskaber på grund af manglen på atomært niveau forståelse af heterogene katalysatorer. Denne nye undersøgelse viser, at heterogene katalysatorer kan fungere som enzymer, bekræfter det grundlæggende princip om, at samspil mellem atomare katalysatorer og tilstødende miljøer har betydelig indflydelse på overordnede materialeegenskaber og katalytisk aktivitet.

Ved at kombinere teoretiske simuleringer og nanomaterialesynteseteknologier, forskerne syntetiserede en enzymlignende heterogen katalysator. (Fig. 2) De dækkede en rundformet TiO ₂ substrat med enkeltatomet kobber. De pakkede TiO ₂ og kobberatomer sammen. Efterfølgende bagning stabiliserede enkelt kobberatomer med succes udelukkende på titaniumsteder. Det var afgørende for denne undersøgelse at designe stedspecifikke enkeltatomkatalysatorer, da denne enkelt-atom struktur direkte efterligner strukturen af ​​enzymer (lavet af enkelt atom metalliske ioner og omgivende proteiner).

Interessant nok, det syntetiserede stedspecifikke enkeltatom Cu/TiO ₂ katalysatorer gennemgik en unik fotoaktiveringsproces. Ved at absorbere lys, TiO ₂ exciterer en elektron. Den exciterede elektron overføres til et enkelt kobberatom gennem en simpel oxidationstilstandsændring. Overførslen af ​​en elektron ændrer sig igen omkring TiO ₂ strukturer (ligesom den inducerede-tilpasningsmodel af et enzym). Denne aktive tilstand vender derefter tilbage til den oprindelige hviletilstand, når en elektron overføres tilbage til TiO ₂ fra et metalatom. Faktisk, denne interaktive og reversible mekanisme blev bekræftet med den hvide Cu/TiO ₂ hurtigt bliver sort under lys bestråling, og tilbage til dens oprindelige hvide farve, når den renses med luft. Takket være disse enzymatiske egenskaber, enkelt atom Cu/TiO ₂ katalysator omdannede 40% af lysenergien til H ₂ , en usædvanlig høj katalytisk aktivitet, som er lige så aktiv som den mest aktive og dyreste Pt-TiO ₂ fotokatalysator. Brint er kendt for at være det mest effektive og ideelle brændstof, fordi det genererer vand som det eneste biprodukt.