Molekylær twist gør én katalysator anvendelig til tre brintapplikationer

Forskere fra Kyushu University og Kumamoto University i Japan har udviklet en ny katalysator, der er i stand til at assistere tre nøglereaktioner for brug af brint i energi og industri. Inspireret af tre typer enzymer i naturen, denne forskning kan hjælpe med at belyse ukendte forhold mellem katalysatorer, bane vejen for effektiv brug af brintgas som næste generations energikilde i fremtiden.

Producerer kun vand, når det bruges i en brændselscelle til at generere elektricitet, brint lover meget som en ren energikilde til at imødegå miljømæssige udfordringer, som verden står over for. En nøgle til at etablere brint som en næste generations energikilde er udviklingen af ​​katalysatorer - kemikalier, der hjælper og accelererer reaktioner uden at blive forbrugt i processen - som hjælper med at bruge det effektivt.

Katalysatorer spiller ikke kun en rolle i at spalte brintmolekyler for at generere elektricitet i brændselsceller, men også i at sætte brintatomer sammen for at danne brændstoffet. Brint har også mange anvendelser i den kemiske industri, bliver ofte knyttet til molekyler gennem hydrogeneringsprocessen for at modificere deres egenskaber.

Naturen har allerede udviklet sit eget sæt af biologiske katalysatorer, kendt som enzymer, i stand til de samme grundlæggende reaktioner. Imidlertid, hver af disse tre reaktioner kræver en anden type enzym, og disse hydrogenase-enzymer kan grupperes efter de metaller, de indeholder:et atom hver af nikkel og jern, to jernatomer, eller et enkelt jernatom.

Med inspiration fra naturen, forskerhold ledet af Seiji Ogo fra Kyushu University og Shinya Hayami fra Kumamoto University rapporterer nu i tidsskriftet Videnskabens fremskridt at en enkelt katalysator kan udføre alle tre roller.

"Når vi ser nærmere på nøglestrukturerne af de tre typer hydrogenaseenzymer i naturen, vi var i stand til at designe et molekyle, der kunne efterligne alle disse strukturer afhængigt af, hvor brint binder sig til det, " sagde Ogo, professor ved Kyushu Universitets afdeling for kemi og biokemi.

Katalysatoren, som forskerne udviklede, indeholder nikkel og jern som nøglemetallerne. Afhængigt af reaktionsbetingelserne, brintatomer vil forbinde til molekylet på en lidt anden måde, fører til en vridning af molekylet, der sætter det i en konfiguration, der er bedst egnet til en af ​​de tre typer reaktioner.

Mens enzymerne i naturen er afhængige af forskellige sæt metaller for at udføre disse reaktioner, den nyudviklede katalysator udnytter, at det molekylære twist er nok til at skifte mellem strukturer, der ligner dem for de tre typer enzymer, derved opnår lignende funktioner uden at ændre metallerne.

"På en måde, vi har skabt et molekyle med et rat på, " forklarer Ogo. "Ved at dreje på rattet og dreje dele af molekylet, vi kan omdanne det til tre forskellige typer katalysatorer – en til brændselsceller, en til brintproduktion, og en anden til hydrogenering."

Ogo tilføjer, "Dette har givet os mulighed for at optrevle tre funktioner, der tidligere var sammenflettet."

Selvom molekylet måske ikke er egnet til praktiske anvendelser på nuværende tidspunkt, det peger på muligheden for at udvikle en enkelt katalysator med flere anvendelser. Vigtigere, den bedre forståelse af de katalytiske processer, som dette molekyle giver, kan give afgørende indsigt i naturlige enzymer og udviklingen af ​​fremtidige katalysatorer til at realisere et brintdrevet samfund.