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(duì)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(jì)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(guò)電解過(guò)程從水中的氧原子中分離出氫氣分子來(lái)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(guò)使用一種稱為電解水將氫氣分子與水中的氧原子分離來(lái)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(jià)格和稀有性使其失去吸引力。

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

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

十多年來(lái)，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(guò)非順磁性的中間體運(yùn)作的。

Mirica說(shuō)：“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模畲笙薅鹊靥岣咝?，是設(shè)計(jì)能源時(shí)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(duì)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(duì)設(shè)計(jì)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(kāi)來(lái)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)元素是在鎳中心附近存在碳?xì)滏I，該碳?xì)滏I在催化過(guò)程中被破壞并重新形成。這對(duì)于穩(wěn)定上述順磁態(tài)至關(guān)重要。

研究人員說(shuō)，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(jì)原則可能會(huì)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(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)支持。