Die Nachahmung biologischer Enzyme kann der Schlüssel zur Wasserstoffkraftstoffproduktion sein

Forscher haben herausgefunden, dass ein uraltes biologisches Enzym namens Nickel-Eisen-Hydrogenase eine Schlüsselrolle bei der Produktion von Wasserstoff für eine auf erneuerbaren Energien basierende Energiewirtschaft spielen könnte. Eine sorgfältige Untersuchung des Enzyms hat Chemiker der University of Illinois Urbana-Champaign dazu veranlasst, ein synthetisches Molekül zu entwerfen, das die Wasserstoffgas erzeugende chemische Reaktion nachahmt, die von dem Enzym durchgeführt wird.

Über ihre Ergebnisse berichten die Forscher in der Fachzeitschrift Naturkommunikation.

Derzeit wird industrieller Wasserstoff in der Regel hergestellt, indem Wasserstoffgasmoleküle von Sauerstoffatomen in Wasser durch einen als Elektrolyse bezeichneten Prozess getrennt werden. Um diese chemische Reaktion im industriellen Umfeld zu beschleunigen, wird Platinmetall als Katalysator in den Kathoden verwendet, die die Reaktion steuern. Viele Studien haben jedoch gezeigt, dass die Kosten und die Seltenheit von Platin es unattraktiv machen, da die Welt auf umweltfreundlichere Energiequellen drängt.

Auf der anderen Seite produziert das Nickel-Eisen-Hydrogenase-Enzym der Natur Wasserstoff unter Verwendung von Metallen, die in der Erde reichlich vorhanden sind, sagte Chemieprofessor Liviu Mirica, der die Studie mit dem Doktoranden Sagnik Chakrabarti leitete.

„Das Nickel im Kern des natürlichen Enzyms produziert Wasserstoff, indem es Protonen in Wasser reduziert“, sagte Chakrabarti. „Während des katalytischen Prozesses durchläuft das Nickelzentrum paramagnetische Zwischenprodukte, was bedeutet, dass die Zwischenprodukte ein ungepaartes Elektron haben – was sie extrem kurzlebig macht.“

Synthetische Chemiker haben über ein Jahrzehnt lang Nickelverbindungen hergestellt, die Wasserstoff produzieren, sagte Mirica. Während einige dieser Verbindungen sehr effizient Wasserstoff produzieren, arbeitet die überwiegende Mehrheit von ihnen über Zwischenprodukte, die nicht paramagnetisch sind.

„Forscher versuchen genau nachzuahmen, was die Natur tut, weil sie effizient ist, und die Maximierung der Effizienz ist eine zentrale Herausforderung, die es bei der Entwicklung von Energiequellen zu meistern gilt“, sagte Mirica. „Die im natürlichen Enzym vorkommenden paramagnetischen Zwischenschritte nachzubilden, ist das Ziel unserer Gruppe – um die Effizienz zu steigern und die Natur nachzuahmen.“

Um dies zu erreichen, entwarf das Team ein organisches Molekül namens Ligand, das elektronenspendende Atome wie Stickstoff und Schwefel enthält und das Nickel an Ort und Stelle halten und die beiden relevanten paramagnetischen Zustände unterstützen kann, die Wasserstoff erzeugen. Das entscheidende Konstruktionselement, das dieses Molekül von anderen Katalysatoren unterscheidet, ist das Vorhandensein einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung in der Nähe des Nickelzentrums, die während der Katalyse aufgebrochen und neu gebildet wird. Dies war entscheidend für die Stabilisierung der oben erwähnten paramagnetischen Zustände.

„Eine der wichtigsten Erkenntnisse aus unserer Arbeit ist, dass wir durch die Verwendung des speziell entwickelten Liganden in der von uns verwendeten Weise erfolgreich Ideen aus zwei Bereichen der anorganischen Chemie – der bioanorganischen und der metallorganischen Chemie – vereint haben, um Nickelkomplexe herzustellen, die sich ähnlich wie der Aktivstoff verhalten Standort eines der schönsten und kompliziertesten Enzyme der Natur“, sagte Chakrabarti.

In der jüngeren Vergangenheit seien mehrere ungewöhnliche Enzyme gefunden worden, die Metall-Kohlenstoff-Bindungen in ihren aktiven Zentren aufweisen, sagten die Forscher. Solche Konstruktionsprinzipien in synthetischen Komplexen könnten zu weiteren Erkenntnissen darüber führen, wie die Natur Chemie mit kleinen Molekülen wie Wasserstoff durchführt.

Die ehemaligen Forscher aus Illinois, Soumalya Sinha, Giang N. Tran und Hanah Na, haben zu dieser Studie beigetragen.