Die Nachahmung biologischer Enzyme könnte der Schlüssel zur Herstellung von Wasserstoffkraftstoff sein
Uraltes Enzym könnte entscheidend für den weltweiten Übergang zu einer Wirtschaft mit erneuerbaren Energien sein
Ein uraltes biologisches Enzym, das als Nickel-Eisen-Hydrogenase bekannt ist, könnte eine Schlüsselrolle bei der Erzeugung von Wasserstoff für eine auf erneuerbaren Energien basierende Energiewirtschaft spielen, so Forscher. Eine sorgfältige Untersuchung des Enzyms hat Chemiker der University of Illinois Urbana-Champaign dazu veranlasst, ein synthetisches Molekül zu entwerfen, das die von dem Enzym durchgeführte chemische Reaktion zur Erzeugung von Wasserstoffgas nachahmt. Die Forscher berichteten über ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Nature Communications.
Die Nickel-Eisen-Hydrogenase, die von den Forschern als "eines der kompliziertesten und schönsten Enzyme der Natur" bezeichnet wird, könnte für den weltweiten Übergang zu einer Wirtschaft mit erneuerbaren Energien von entscheidender Bedeutung sein.
Graphic courtesy Mirica group
Derzeit wird industrieller Wasserstoff in der Regel durch die Abtrennung von Wasserstoffgasmolekülen von Sauerstoffatomen in Wasser durch einen Prozess namens Elektrolyse hergestellt. Um diese chemische Reaktion in der Industrie 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.
Das natürliche Nickel-Eisen-Hydrogenase-Enzym hingegen produziert Wasserstoff, indem es in seinem Kern Metalle verwendet, die in der Erde reichlich vorhanden sind, sagte Chemieprofessor Liviu Mirica, der die Studie zusammen 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 Zwischenstufen, was bedeutet, dass die Zwischenstufen ein ungepaartes Elektron haben - was sie extrem kurzlebig macht."
Synthetische Chemiker stellen seit über einem Jahrzehnt Nickelverbindungen her, die Wasserstoff erzeugen, so Mirica. Einige dieser Verbindungen sind zwar sehr effizient bei der Erzeugung von Wasserstoff, aber die meisten funktionieren über Zwischenstufen, die nicht paramagnetisch sind.
"Die Forscher versuchen, genau das nachzuahmen, was die Natur macht, weil sie effizient ist, und die Maximierung der Effizienz ist eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung von Energiequellen", so Mirica. "Unsere Gruppe versucht, die paramagnetischen Zwischenschritte des natürlichen Enzyms zu reproduzieren, um die Effizienz zu erhöhen und die Natur zu imitieren.
Um dies zu erreichen, entwickelte das Team ein organisches Molekül, einen so genannten Liganden, der elektronenabgebende Atome wie Stickstoff und Schwefel enthält und das Nickel an seinem Platz halten und die beiden relevanten paramagnetischen Zustände unterstützen kann, die Wasserstoff erzeugen. Das Schlüsselelement, das dieses Molekül von anderen Katalysatoren unterscheidet, ist das Vorhandensein einer Kohlenstoff-Wasserstoff-Bindung in der Nähe des Nickelzentrums, die während der Katalyse gebrochen 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 Ideen aus zwei Bereichen der anorganischen Chemie - der bioanorganischen und der metallorganischen Chemie - erfolgreich zusammengeführt haben, um Nickelkomplexe herzustellen, die sich ähnlich wie das aktive Zentrum eines der schönsten und kompliziertesten Enzyme der Natur verhalten", so Chakrabarti.
In der jüngeren Vergangenheit wurden mehrere ungewöhnliche Enzyme gefunden, die Metall-Kohlenstoff-Bindungen in ihren aktiven Zentren aufweisen, so die Forscher. Solche Konstruktionsprinzipien in synthetischen Komplexen könnten zu weiteren Erkenntnissen darüber führen, wie die Natur die Chemie mit kleinen Molekülen wie Wasserstoff betreibt.
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