12.06.2020 - Kyushu University

Molekularer Dreh macht einen Katalysator für drei Wasserstoffanwendungen nutzbar

"In gewisser Weise haben wir ein Molekül mit einem Lenkrad darauf geschaffen"

Wissenschaftler der Kyushu-Universität und der Universität Kumamoto in Japan haben einen neuen Katalysator entwickelt, der drei Schlüsselreaktionen für die Nutzung von Wasserstoff in Energie und Industrie unterstützen kann. Inspiriert durch drei Arten von Enzymen in der Natur, kann diese Forschung dazu beitragen, unbekannte Beziehungen zwischen Katalysatoren aufzuklären und damit den Weg für eine effiziente Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle der nächsten Generation in der Zukunft zu ebnen.

Da Wasserstoff nur Wasser erzeugt, wenn er in einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung verwendet wird, ist er eine vielversprechende saubere Energiequelle, mit der die Umweltherausforderungen auf der ganzen Welt gemeistert werden können. Ein Schlüssel zur Etablierung von Wasserstoff als Energiequelle der nächsten Generation ist die Entwicklung von Katalysatoren - Chemikalien, die Reaktionen unterstützen und beschleunigen, ohne im Prozess verbraucht zu werden -, die helfen, ihn effizient zu nutzen.

Katalysatoren spielen nicht nur bei der Spaltung von Wasserstoffmolekülen zur Stromerzeugung in Brennstoffzellen eine Rolle, sondern auch bei der Zusammenfügung von Wasserstoffatomen zur Bildung des Brennstoffs. Wasserstoff hat auch viele Anwendungen in der chemischen Industrie, wobei er oft durch den Prozess der Hydrierung an Moleküle gebunden wird, um deren Eigenschaften zu verändern.

Die Natur hat bereits einen eigenen Satz biologischer Katalysatoren entwickelt, die als Enzyme bekannt sind und dieselben grundlegenden Reaktionen durchführen können. Jede dieser drei Reaktionen erfordert jedoch eine andere Art von Enzym, und diese Hydrogenase-Enzyme können nach den Metallen gruppiert werden, die sie enthalten: je ein Atom Nickel und Eisen, zwei Eisenatome oder ein einzelnes Eisenatom.

Inspiriert von der Natur berichten Forschungsteams unter der Leitung von Seiji Ogo von der Kyushu-Universität und Shinya Hayami von der Kumamoto-Universität jetzt in der Zeitschrift Science Advances, dass ein einziger Katalysator alle drei Rollen erfüllen kann.

"Bei genauer Betrachtung der Schlüsselstrukturen der drei Arten von Hydrogenase-Enzymen in der Natur konnten wir ein Molekül entwerfen, das all diese Strukturen nachahmen kann, je nachdem, wo der Wasserstoff daran bindet", sagte Ogo, Professor der Fakultät für Chemie und Biochemie der Kyushu-Universität.

Der von den Wissenschaftlern entwickelte Katalysator enthält Nickel und Eisen als Schlüsselmetalle. Je nach Reaktionsbedingungen verbinden sich die Wasserstoffatome auf leicht unterschiedliche Weise mit dem Molekül, was zu einer Verdrehung des Moleküls führt, die es in eine Konfiguration bringt, die für eine der drei Reaktionsarten am besten geeignet ist.

Während die Enzyme in der Natur zur Durchführung dieser Reaktionen auf verschiedene Sätze von Metallen angewiesen sind, macht sich der neu entwickelte Katalysator die molekulare Verdrehung zunutze, die ausreicht, um zwischen Strukturen zu wechseln, die denen der drei Enzymtypen ähnlich sind, und so ähnliche Funktionen zu erhalten, ohne die Metalle zu verändern.

"In gewisser Weise haben wir ein Molekül mit einem Lenkrad darauf geschaffen", erklärt Ogo. "Indem wir das Lenkrad drehen und Teile des Moleküls verdrehen, können wir es in drei verschiedene Arten von Katalysatoren verwandeln - einen für Brennstoffzellen, einen für die Wasserstoffproduktion und einen weiteren für die Hydrierung.

"Dies hat es uns ermöglicht, drei Funktionen zu entschlüsseln, die zuvor miteinander verflochten waren.

Auch wenn das Molekül derzeit nicht für praktische Anwendungen geeignet ist, deutet es auf die Möglichkeit hin, einen einzigen Katalysator mit mehreren Verwendungsmöglichkeiten zu entwickeln. Noch wichtiger ist, dass das bessere Verständnis der katalytischen Prozesse, die durch dieses Molekül ermöglicht werden, einen entscheidenden Einblick in natürliche Enzyme und die Entwicklung zukünftiger Katalysatoren zur Verwirklichung einer wasserstoffbetriebenen Gesellschaft geben kann.

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