Wetenschappers van Kyushu University en Kumamoto University in Japan hebben een nieuwe katalysator ontwikkeld die drie belangrijke reacties kan ondersteunen bij het gebruik van waterstof in energie en industrie. Geïnspireerd door drie soorten enzymen in de natuur, dit onderzoek kan helpen om onbekende relaties tussen katalysatoren op te helderen, de weg vrijmaken voor een efficiënt gebruik van waterstofgas als energiebron van de volgende generatie in de toekomst.

Alleen water produceren bij gebruik in een brandstofcel om elektriciteit op te wekken, waterstof is een grote belofte als schone energiebron om milieu-uitdagingen over de hele wereld het hoofd te bieden. Een sleutel om waterstof als energiebron van de volgende generatie te vestigen, is de ontwikkeling van katalysatoren - chemicaliën die reacties ondersteunen en versnellen zonder daarbij verbruikt te worden - die helpen om het efficiënt te gebruiken.

Katalysatoren spelen niet alleen een rol bij het splitsen van waterstofmoleculen om elektriciteit op te wekken in brandstofcellen, maar ook bij het samenvoegen van waterstofatomen om de brandstof te vormen. Waterstof heeft ook veel toepassingen in de chemische industrie, vaak gehecht aan moleculen door het proces van hydrogenering om hun eigenschappen te wijzigen.

De natuur heeft al zijn eigen set biologische katalysatoren ontwikkeld, bekend als enzymen, in staat zijn tot dezelfde fundamentele reacties. Echter, elk van deze drie reacties vereist een ander type enzym, en deze hydrogenase-enzymen kunnen worden gegroepeerd op basis van de metalen die ze bevatten:een atoom van nikkel en ijzer, twee atomen van ijzer, of een enkel atoom ijzer.

Geïnspireerd door de natuur, onderzoeksteams onder leiding van Seiji Ogo van Kyushu University en Shinya Hayami van Kumamoto University rapporteren nu in het tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang dat een enkele katalysator alle drie de rollen kan vervullen.

"Als we goed kijken naar de belangrijkste structuren van de drie soorten hydrogenase-enzymen in de natuur, we waren in staat om een ​​molecuul te ontwerpen dat al deze structuren kon nabootsen, afhankelijk van waar waterstof zich aan hecht, " zei Ogo, professor van de afdeling Scheikunde en Biochemie van de Kyushu Universiteit.

De katalysator die de wetenschappers ontwikkelden, bevat nikkel en ijzer als de belangrijkste metalen. Afhankelijk van de reactieomstandigheden, waterstofatomen zullen zich op een iets andere manier met het molecuul verbinden, wat leidt tot een verdraaiing van het molecuul waardoor het in een configuratie komt die het meest geschikt is voor een van de drie soorten reacties.

Terwijl de enzymen in de natuur afhankelijk zijn van verschillende sets metalen om deze reacties te volbrengen, de nieuw ontwikkelde katalysator profiteert van de moleculaire draaiing die voldoende is om te schakelen tussen structuren die vergelijkbaar zijn met die van de drie soorten enzymen, waardoor vergelijkbare functies worden verkregen zonder de metalen te veranderen.

"Op een manier, we hebben een molecuul gemaakt met een stuur eraan, " legt Ogo uit. "Door aan het stuur te draaien en delen van het molecuul te draaien, we kunnen er drie verschillende soorten katalysatoren van maken:één voor brandstofcellen, een voor waterstofproductie, en een andere voor hydrogenering."

Ogo voegt toe, "Hierdoor hebben we drie functies kunnen ontrafelen die voorheen met elkaar verweven waren."

Hoewel het molecuul momenteel misschien niet geschikt is voor praktische toepassingen, het wijst op de mogelijkheid om een ​​enkele katalysator te ontwikkelen met meerdere toepassingen. Belangrijker, een beter begrip van de katalytische processen die dit molecuul mogelijk maakt, kan cruciaal inzicht geven in natuurlijke enzymen en de ontwikkeling van toekomstige katalysatoren voor het realiseren van een door waterstof aangedreven samenleving.