Detaily článku

Napodobování biologických enzymů může být klíčem k výrobě vodíkového paliva

Vědci uvedli, že starobylý biologický enzym známý jako hydrogenáza niklu a železa může hrát klíčovou roli při výrobě vodíku pro energetické hospodářství založené na obnovitelných zdrojích. Pečlivé studium tohoto enzymu vedlo chemiky z University of Illinois Urbana-Champaign k návrhu syntetické molekuly, která napodobuje chemickou reakci produkující plynný vodík, kterou enzym provádí. O svých výsledcích vědci informovali v časopise Nature Communications.

Datum: 11.4.2023

vodík, hydrogenáza

V současné době se průmyslový vodík obvykle vyrábí oddělováním molekul plynného vodíku od atomů kyslíku ve vodě pomocí procesu zvaného elektrolýza. K posílení této chemické reakce v průmyslovém prostředí se jako katalyzátor v katodách, které reakci řídí, používá kovová platina. Mnohé studie však ukázaly, že vzhledem k nákladům a vzácnosti platiny je tato surovina neatraktivní, protože svět se snaží o ekologičtější zdroje energie.

Naproti tomu přírodní enzym nikl-železo hydrogenáza vyrábí vodík pomocí kovů, které jsou v jádru zemské, uvedl profesor chemie Liviu Mirica, který studii vedl spolu s postgraduálním studentem Sagnikem Chakrabartim.

"Nikl v jádru přírodního enzymu produkuje vodík redukcí protonů ve vodě," řekl Chakrabarti. "Během katalytického procesu prochází niklové centrum paramagnetickými meziprodukty, což znamená, že meziprodukty mají nepárový elektron - díky tomu mají extrémně krátkou životnost."

Syntetičtí chemici vyrábějí sloučeniny niklu, které produkují vodík, již více než deset let, řekl Mirica. Některé z těchto sloučenin jsou sice při výrobě vodíku velmi účinné, ale naprostá většina z nich funguje přes meziprodukty, které nejsou paramagnetické.

"Výzkumníci se snaží napodobit přesně to, co dělá příroda, protože je to účinné, a maximalizace účinnosti je klíčovým úkolem, který je třeba překonat při konstrukci zdrojů energie," řekl Mirica. "Schopnost reprodukovat paramagnetické mezistupně, které se vyskytují v přírodním enzymu, je to, čeho se naše skupina snaží dosáhnout - zvýšit účinnost a napodobit přírodu."

Aby toho tým dosáhl, navrhl organickou molekulu zvanou ligand, která obsahuje atomy donující elektrony, jako je dusík a síra, a dokáže udržet nikl na místě a podpořit dva příslušné paramagnetické stavy, které produkují vodík. Klíčovým konstrukčním prvkem, který tuto molekulu odlišuje od jiných katalyzátorů, je přítomnost vazby mezi uhlíkem a vodíkem v blízkosti niklového centra, která se během katalýzy přeruší a znovu vytvoří. To bylo klíčové pro stabilizaci výše uvedených paramagnetických stavů.

"Jedním z klíčových poznatků z naší práce je, že použitím speciálně navrženého ligandu způsobem, jakým jsme to udělali, jsme úspěšně spojili myšlenky ze dvou oblastí anorganické chemie - bioanorganické a organokovové chemie - a vytvořili niklové komplexy, které se chovají podobně jako aktivní místo jednoho z nejkrásnějších a nejsložitějších přírodních enzymů," řekl Chakrabarti.

V nedávné minulosti bylo nalezeno několik neobvyklých enzymů, které mají ve svých aktivních místech vazby kov-uhlík, uvedli vědci. Takové principy návrhu syntetických komplexů by mohly vést k dalšímu poznání toho, jak příroda provádí chemii s malými molekulami, jako je vodík.

Zdrojem informací je Chemeurope.
Kredit obrázku: Mirica group

Pro kompletní informace si přečtěte celý článek.