Een internationaal team van onderzoekers heeft bepaalde structurele kenmerken van natuurlijke enzymen overgedragen, die zorgen voor een bijzonder hoge katalytische activiteit, tot metalen nanodeeltjes. De gewenste chemische reactie vond dus niet zoals gebruikelijk plaats aan het deeltjesoppervlak, maar in kanalen in de metaaldeeltjes – en met een drie keer hogere katalytische activiteit. Een team van de Universiteit van New South Wales, Australië, en Ruhr-Universität Bochum, Duitsland, gerapporteerd over deze nanozymen in de Tijdschrift van de American Chemical Society , online gepubliceerd op 23 september 2018.

In het geval van enzymen, de actieve centra, waar de chemische reactie plaatsvindt, bevinden zich binnen. De reagerende stoffen moeten door een kanaal van de omringende oplossing naar het actieve centrum gaan, waarbij de ruimtelijke structuur bijzonder gunstige reactieomstandigheden biedt. "Het wordt verondersteld, bijvoorbeeld, dat in de kanalen een lokaal veranderde pH-waarde heerst en dat de elektronische omgeving in de actieve centra ook verantwoordelijk is voor de efficiëntie van natuurlijke enzymen, " zegt professor Wolfgang Schuhmann, hoofd van het Bochum Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen.

Kanalen geproduceerd in nikkel-platinadeeltjes

Om de enzymstructuren kunstmatig te imiteren, de onderzoekers produceerden deeltjes nikkel en platina met een diameter van ongeveer tien nanometer. Vervolgens verwijderden ze het nikkel door middel van chemisch etsen, waardoor kanalen werden gevormd. In de laatste stap, ze deactiveerden de actieve centra op het deeltjesoppervlak. "Hierdoor konden we ervoor zorgen dat alleen de actieve centra in de kanalen deelnamen aan de reactie, " legt Patrick Wilde uit, een promovendus aan het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen. De onderzoekers vergeleken de katalytische activiteit van de op deze manier geproduceerde deeltjes met de activiteit van conventionele deeltjes met actieve centra op het oppervlak.

Voor de test, het team gebruikte de zuurstofreductiereactie, die, onder andere, vormt de basis van de werking van brandstofcellen. Actieve centra aan het einde van de kanalen katalyseerden de reactie drie keer efficiënter dan actieve centra op het deeltjesoppervlak.

"De resultaten tonen het enorme potentieel van nanozymen, " vat Dr. Corina Andronescu samen, een groepsleider bij het Centrum voor Elektrochemische Wetenschappen. De onderzoekers willen het concept nu uitbreiden naar andere reacties, zoals elektrokatalytische CO2-reductie, en de principes van verhoogde activiteit in meer detail onderzoeken. “We willen de manier waarop enzymen werken in de toekomst nog beter kunnen nabootsen, " voegt Schuhmann toe. "Uiteindelijk, we hopen dat het concept zal bijdragen aan industriële toepassingen om energieconversieprocessen efficiënter te maken met behulp van elektriciteit die is opgewekt uit hernieuwbare bronnen."