Wat als er geen tunnels waren in de Zwitserse Alpen? Iedereen die er doorheen zou willen reizen, zou heuvels op en af ​​moeten gaan en rond de bergketens zigzaggen. Door een tunnel te gaan, wordt veel meer energie en tijd bespaard dan een berg te beklimmen. Dit is vergelijkbaar met hoe katalysatoren werken:ze versnellen chemische reacties door de energie te verlagen die nodig is om de gewenste fysieke toestand te bereiken.

In industriële productieprocessen, heterogene katalyse, waarbij typisch het gebruik van vaste katalysatoren in een vloeibaar of gasreactiemengsel wordt gebruikt, heeft veel potentiële toepassingen. In een andere fase zitten, heterogene katalysatoren kunnen gemakkelijk uit een reactiemengsel worden gescheiden. Op deze manier, de katalysatoren kunnen effectief worden teruggewonnen en gerecycled, vrij milieuvriendelijk zijn. In aanvulling, ze vertonen een zeer stabiele activiteit, zelfs onder zware reactieomstandigheden. Ondanks zulke voordelen, Er is gedacht dat heterogene katalyse minder interactie en beheersbaarheid mogelijk maakt dan homogene katalyse vanwege een slecht begrip van het reactieproces.

Onderzoekers van het Center for Nanoparticle Research (onder leiding van directeur Taeghwan Hyeon) binnen het Institute for Basic Science (IBS) in samenwerking met professor Ki Tae Nam van de Seoul National University en professor Hyungjun Kim van KAIST hebben voor het eerst enzymachtige heterogene katalyse aangetoond . Ze ontwikkelden een zeer actieve heterogene TiO ₂ fotokatalysator ingebouwd met veel enkele koperatomen. Ze gebruikten deze katalysator voor fotokatalytische waterstofproductie, en ontdekte dat de katalysator net zo actief is als het meest actieve en dure Pt-TiO ₂ katalysator.

De onderzoekers waren vastbesloten om de katalysatorstructuur op een vergelijkbare manier te modelleren als de meest efficiënte en reactieve katalysatoren die biologische enzymen zijn. Enzymen omvatten katalytisch actieve metaalatomen en omringende eiwitten die zeer nauw samenwerken om hun feedback heen en weer te laten bewegen. Dankzij deze coöperatieve interne communicatie, enzymen kunnen hun structuur snel aanpassen om optimaal te passen voor gewenste reacties (algemeen bekend als het geïnduceerde-fit model). Tijdens de aanpassing, enzymen keren met tussenpozen terug naar hun oorspronkelijke vorm en worden hervormd. Professor Hyeon zegt:"Voor de eerste keer, we ontdekten dat een enzymachtig omkeerbaar en coöperatief activeringsproces zelfs in heterogene katalysatoren plaatsvindt. Dit is een ongekend platform dat de voordelen van zowel heterogene katalysatoren als biologische enzymen combineert. Hoewel ze de robuuste stabiliteit van heterogene katalysatoren hebben, coöperatieve en omkeerbare eigenschappen van enzymen zorgen voor een aanzienlijke beheersbaarheid, wat uiteindelijk een hoge activiteit met zich meebrengt voor de productie van waterstof (de meest efficiënte en ideale brandstof) uit fotokatalytische watersplitsingsreacties."

Biologische enzymen zijn beschouwd als een centraal model voor de ontwikkeling van kunstmatige katalysatoren. Ze zijn met succes gebruikt bij het ontwerpen van homogene katalysatoren voor verschillende reacties. Nog altijd, er was geen rapport over industrieel belangrijke heterogene katalysatoren met deze enzymachtige kenmerken vanwege het gebrek aan begrip op atomair niveau van heterogene katalysatoren. Deze nieuwe studie toont aan dat heterogene katalysatoren kunnen werken als enzymen, bevestigt het fundamentele principe dat de samenwerking tussen atomaire katalysatoren en aangrenzende omgevingen een significante invloed heeft op de algehele materiaaleigenschappen en katalytische activiteit.

Door theoretische simulaties en synthesetechnologieën voor nanomaterialen te combineren, de onderzoekers synthetiseerden een enzymachtige heterogene katalysator. (Fig. 2) Ze bedekten een ronde TiO ₂ substraat met enkelatoom koper. Ze wikkelden TiO ₂ en koperatomen samen. Daaropvolgend bakken stabiliseerde met succes koperen enkele atomen uitsluitend op titaniumsites. Het was van cruciaal belang voor deze studie om locatiespecifieke katalysatoren met één atoom te ontwerpen, omdat deze structuur met één atoom direct de structuur van enzymen nabootst (gemaakt van metaalionen met één atoom en omringende eiwitten).

interessant, het gesynthetiseerde plaatsspecifieke enkele atoom Cu/TiO ₂ katalysatoren ondergingen een uniek fotoactivatieproces. Door licht te absorberen, TiO ₂ wekt een elektron op. Het geëxciteerde elektron wordt overgebracht naar een enkel koperatoom door een eenvoudige verandering van de oxidatietoestand. De overdracht van een elektron verandert op zijn beurt weer rond TiO ₂ structuren (net als het geïnduceerde-fit model van een enzym). Deze actieve toestand keert vervolgens terug naar de oorspronkelijke rusttoestand wanneer een elektron terug wordt overgebracht naar de TiO ₂ van een metaalatoom. In feite, dit interactieve en omkeerbare mechanisme werd bevestigd met de witte Cu/TiO ₂ snel zwart worden onder lichte bestraling, en terug naar zijn oorspronkelijke witte kleur wanneer gespoeld met lucht. Dankzij deze enzymatische eigenschappen, enkel atoom Cu/TiO ₂ katalysator zette 40% van de lichtenergie om in H ₂ , een uitzonderlijk hoge katalytische activiteit, die even actief is als de meest actieve en dure Pt-TiO ₂ fotokatalysator. Waterstof staat bekend als de meest efficiënte en ideale brandstof omdat het water als enige bijproduct genereert.