研究人員表示，一種名為鎳鐵氫化酶的古老生物酶可能在為可再生能源經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)氫氣方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。對這種酶的仔細(xì)研究促使伊利諾伊大學(xué)厄巴納化學(xué)家設(shè)計了一種合成分子，模擬這種酶產(chǎn)生氫氣的化學(xué)反應(yīng)，該研究已發(fā)表在《自然通訊》雜志上。

目前，工業(yè)氫通常是通過電解過程從水中的氧原子中分離出氫氣分子來生產(chǎn)的。為了在工業(yè)環(huán)境中促進(jìn)這種化學(xué)反應(yīng)，鉑金屬被用作引導(dǎo)反應(yīng)的陰極催化劑。然而，許多研究表明，隨著世界向更環(huán)保的能源方向發(fā)展，鉑金的昂貴和稀有性使其缺乏吸引力。

目前，工業(yè)氫氣通常是通過使用一種稱為電解水將氫氣分子與水中的氧原子分離來生產(chǎn)的。為了在工業(yè)環(huán)境中促進(jìn)這種化學(xué)反應(yīng)，在引導(dǎo)反應(yīng)的陰極中使用鉑金屬作為催化劑。然而，許多研究表明，隨著世界向更環(huán)保的能源邁進(jìn)，鉑的價格和稀有性使其失去吸引力。

另一方面，研究人員說，自然界的鎳鐵氫化酶，是使用地球上豐富的金屬來產(chǎn)生氫氣。

研究人員表示，天然酶核心的鎳通過還原水中的質(zhì)子來產(chǎn)生氫氣，在催化過程中，鎳中心經(jīng)過順磁性中間體，這意味著中間體有一個不成對的電子，這使它們的壽命非常短。

十多年來，合成化學(xué)家已經(jīng)制造出可以產(chǎn)生氫氣的鎳化合物。雖然其中一些化合物在生產(chǎn)氫氣方面非常有效，但其中絕大多數(shù)都是通過非順磁性的中間體運(yùn)作的。

Mirica說：“研究人員正試圖準(zhǔn)確地模擬大自然的行為，因?yàn)樗歉咝У?，而最大限度地提高效率，是設(shè)計能源時需要克服的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，能夠重現(xiàn)天然酶中發(fā)生的順磁性中間步驟是我們團(tuán)隊正在努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)——提高效率并模仿自然?！?/p>

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，該團(tuán)隊設(shè)計了一種稱為配體的有機(jī)分子，該分子包含氮和硫等供電子原子，可以將鎳固定在適當(dāng)位置并支持產(chǎn)生氫的兩種相關(guān)順磁態(tài)。將該分子與其他催化劑區(qū)分開來的關(guān)鍵設(shè)計元素是在鎳中心附近存在碳?xì)滏I，該碳?xì)滏I在催化過程中被破壞并重新形成。這對于穩(wěn)定上述順磁態(tài)至關(guān)重要。

研究人員說，最近發(fā)現(xiàn)了幾種不尋常的酶，它們的活性位點(diǎn)具有金屬-碳鍵。合成復(fù)合物中的此類設(shè)計原則可能會導(dǎo)致進(jìn)一步深入了解自然界如何與氫等小分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

這項(xiàng)研究得到了美國國家科學(xué)基金會支持。