Forskere skaber kunstige katalysatorer inspireret af levende enzymer

Alle levende organismer er afhængige af enzymer - molekyler, der fremskynder biokemiske reaktioner, der er afgørende for livet.

Forskere har brugt årtier på at forsøge at skabe kunstige enzymer, der er i stand til at fjerne vigtige kemikalier og brændstoffer i industriel skala med ydeevne, der modsvarer deres naturlige modstykker.

Forskere fra Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory har udviklet en syntetisk katalysator, der producerer kemikalier på samme måde som enzymer gør i levende organismer. I en undersøgelse offentliggjort i 5. august -udgaven af Naturkatalyse , forskerne siger, at deres opdagelse kan føre til industrielle katalysatorer, der er i stand til at producere methanol ved at bruge mindre energi og til en lavere pris. Methanol har en række forskellige anvendelser, og der er en stigende efterspørgsel efter dets anvendelse som brændstof med lavere emissioner end konventionel benzin.

"Vi tog vores inspiration fra naturen, "sagde seniorforfatter Matteo Cargnello, en adjunkt i kemiteknik ved Stanford. "Vi ønskede at efterligne funktionen af ​​naturlige enzymer i laboratoriet ved hjælp af kunstige katalysatorer til fremstilling af nyttige forbindelser."

Til forsøget, forskerne designede en katalysator fremstillet af nanokrystaller af palladium, et ædelmetal, indlejret i lag af porøse polymerer skræddersyet med særlige katalytiske egenskaber. De fleste proteinenzymer, der findes i naturen, har også spormetaller, som zink og jern, indlejret i deres kerne.

Forskerne var i stand til at observere spor palladium i deres katalysatorer med elektronmikroskopiske billeder af medforfatter Andrew Herzing fra National Institute of Standards and Technology.

Modelreaktion

"Vi fokuserede på en model kemisk reaktion:konvertering af giftigt kulilte og ilt til kuldioxid (CO2), "sagde ph.d. -studerende Andrew Riscoe, hovedforfatter af undersøgelsen. "Vores mål var at se, om den kunstige katalysator ville fungere som et enzym ved at fremskynde reaktionen og kontrollere måden, hvorpå CO2 produceres."

At finde ud af, Riscoe anbragte katalysatoren i et reaktorrør med en kontinuerlig strøm af kulilte og iltgas. Når røret blev opvarmet til omkring 150 grader Celsius (302 grader Fahrenheit), katalysatoren begyndte at generere det ønskede produkt, carbondioxid.

Højenergirøntgenstråler fra Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) ved SLAC afslørede, at katalysatoren havde egenskaber, der ligner dem, der ses i enzymer:Palladium-nanokrystaller inde i katalysatoren reagerede kontinuerligt med ilt og kulilte for at producere kuldioxid. Og nogle af de nydannede kuldioxidmolekyler blev fanget i de ydre polymerlag, da de slap fra nanokrystaller.

"Røntgenstrålerne viste, at når polymerlagene var fyldt med CO2, reaktionen stoppede, sagde Cargnello, en tilknyttet Stanford Natural Gas Initiative (NGI). "Dette er vigtigt, fordi det er den samme strategi, der bruges af enzymer. Når et enzym producerer for meget af et produkt, det holder op med at fungere, fordi produktet ikke længere er nødvendigt. Vi viste, at vi også kan regulere produktionen af ​​CO2 ved at kontrollere den kemiske sammensætning af polymerlagene. Denne tilgang kan påvirke mange områder af katalyse. "

Røntgenbilleddannelsen blev udført af undersøgelsesmedforfattere Alexey Boubnov, en postdoktor i Stanford, og SLAC -forskerne Simon Bare og Adam Hoffman.

Fremstilling af methanol

Med succes med kuldioxidforsøget, Cargnello og hans kolleger har vendt deres opmærksomhed mod at omdanne metan, hovedingrediensen i naturgas, til methanol, et kemikalie meget udbredt i tekstiler, plast og maling. Methanol er også blevet udråbt som en billigere, renere alternativ til benzin.

"Evnen til at omdanne metan til methanol ved lave temperaturer betragtes som en hellig katalysegril, "Cargnello sagde." Vores langsigtede mål er at bygge en katalysator, der opfører sig som metanmonooxoygenase, et naturligt enzym, som visse mikrober bruger til at metabolisere metan. "

Mest methanol produceres i dag i en totrinsproces, der involverer opvarmning af naturgas til temperaturer på ca. 1, 000 C (1, 800 F). Men denne energikrævende proces udsender en stor mængde kuldioxid, en potent drivhusgas, der bidrager til de globale klimaændringer.

"En kunstig katalysator, der direkte omdanner metan til methanol, ville kræve meget lavere temperaturer og afgive langt mindre CO2, "Riscoe forklarede." Ideelt set vi kunne også kontrollere reaktionens produkter ved at designe polymerlag, der fælder methanolen, før den brænder. "

Fremtidige enzymer

"I dette arbejde, vi demonstrerede, at vi kan fremstille hybridmaterialer fremstillet af polymerer og metalliske nanokrystaller, der har visse egenskaber, der er typiske for enzymatisk aktivitet, sagde Cargnello, som også er tilknyttet Stanfords SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis. "Den spændende del er, at vi kan anvende disse materialer til masser af systemer, hjælper os med bedre at forstå detaljerne i den katalytiske proces og tager os et skridt tættere på kunstige enzymer. "