Om wind- en zonne-energie tot pijlers van hernieuwbare energie te laten worden, de energie die ze met tussenpozen produceren, moet efficiënt worden opgeslagen en teruggewonnen. En dat vereist het opslaan van zonne-energie in chemische bindingen totdat de energie nodig is. Om energiezuinig te zijn, en daardoor kostenbesparend, er is grote behoefte aan omkeerbare katalysatoren, chemische agentia die snel chemische bindingen in beide richtingen vormen en verbreken.

Nutsvoorzieningen, met behulp van een bio-geïnspireerd ontwerp dat de katalysatoren-enzymen van de natuur nabootst, onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hebben een zelden geziene omkeerbare synthetische katalysator ontworpen. Hun onderzoek, een samenwerking tussen PNNL-postdoctoraal chemicus Arnab Dutta en stafchemici Wendy Shaw en Aaron Appel, werd beoordeeld in een Natuur beoordelingen Chemie artikel getiteld, "Het ontwerpen van elektrochemisch omkeerbare H ₂ oxidatie- en productiekatalysatoren." Het artikel beschrijft drie generaties katalysatoren die omkeerbare katalyse bereikten, een kenmerk van efficiënt enzymatisch gedrag. Het bespreekt niet alleen hun onderzoek, maar ook de voortgang van ontwerpkenmerken die nodig zijn om omkeerbare katalysatoren voor waterstofoxidatie en productie te ontwikkelen met behulp van natuurlijke metallo-enzymen als modellen.

"Het ontwikkelen van omkeerbare en snelle katalysatoren wordt beschouwd als de 'heilige graal' in katalyseonderzoek, " zei Dutta, nu een assistent-professor aan het Indian Institute for Technology, Gandhinagar. "Het biedt het meest efficiënte hulpmiddel voor onderlinge omzetting van chemische soorten met bijna geen energieverspilling."

Met hun omkeerbaarheid en hun zeer efficiënte en ingewikkeld geassembleerde structuren, enzymen bieden een aantrekkelijk model voor synthetische katalysatoren. De studie beschrijft het ontwerp van energie-efficiënte elektrokatalysatoren die voorwaartse en achterwaartse reacties met hoge snelheden bemiddelen met minimaal energieverlies. specifiek, ze ontwikkelden een reeks moleculaire nikkelkatalysatoren en ontdekten door enzymgeïnspireerde aminozuren op de juiste manier te positioneren dat ze hoge snelheden voor oxidatie van waterstof konden behouden.

Het kritische inzicht betrof het ontwerpen van de actieve sitestructuur in een ingewikkeld verbonden, op eiwitten geïnspireerde steiger.

"De gestructureerde eiwitstructuur is cruciaal voor de verbazingwekkende efficiëntie van enzymatische activiteit omdat het de thermodynamische en kinetische aspecten - de energievereisten en snelheid - van de katalytische cyclus orkestreert, ' zei Dutta.

Het nieuwe ontwerp wijkt af van het typische katalysatorontwerp, die zich vaak richt op de metalen kern en de directe omgeving rond het metaal, met weinig aandacht voor regio's buiten de actieve site. Om zeer actieve en efficiënte synthetische katalysatoren te ontwikkelen met behulp van niet-edelmetaalcomplexen, de uitgebreide structuur moet worden gebruikt en zorgvuldig worden ontworpen, aldus het onderzoeksteam.

Het onderzoeksteam werkt nu aan het uitbreiden van deze resultaten, die in oplossing werden bereikt, aan de droge brandstofcelomstandigheden die nodig zijn voor industriële toepassing. Ze werken met medewerkers aan een prototype biobrandstofcel waarin de resultaten van dit onderzoek worden verwerkt.