模仿生物酶可能是氢燃料生产的关键

研究人员表示，一种被称为镍铁氢化酶的古老生物酶可能在为基于可再生能源的能源经济生产氢气方面发挥关键作用。对这种酶的仔细研究促使伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的化学家设计出一种合成分子，该分子模拟了这种酶进行的产生氢气的化学反应。

研究人员在《自然通讯》杂志上报告了他们的发现。

目前，工业氢通常是通过电解过程从水中的氧原子中分离出氢气分子来生产的。为了在工业环境中促进这种化学反应，铂金属被用作引导反应的阴极催化剂。然而，许多研究表明，随着世界向更环保的能源方向发展，铂金的昂贵和稀有性使其缺乏吸引力。

另一方面，与研究生 Sagnik Chakrabarti 一起领导这项研究的化学教授Liviu Mirica说，大自然的镍铁氢化酶在其核心使用地球上丰富的金属来产生氢气。

“天然酶核心的镍通过还原水中的质子产生氢气，” Chakrabarti 说。“在催化过程中，镍中心通过顺磁性中间体，这意味着中间体有一个不成对的电子——这使得它们的寿命极短。”

Mirica 说，十多年来，合成化学家已经制造出可以产生氢气的镍化合物。虽然其中一些化合物在生产氢气方面非常有效，但其中绝大多数都是通过非顺磁性的中间体运作的。

“研究人员正试图准确模仿自然界的行为，因为它是高效的，而最大化效率是设计能源时要克服的关键挑战，”Mirica 说。“能够重现天然酶中发生的顺磁性中间步骤是我们小组正在努力实现的目标——提高效率并模仿自然。”

为实现这一目标，该团队设计了一种称为配体的有机分子，该分子包含氮和硫等供电子原子，可以将镍固定在适当位置并支持产生氢的两种相关顺磁态。将该分子与其他催化剂区分开来的关键设计元素是在镍中心附近存在碳氢键，该碳氢键在催化过程中被破坏并重新形成。这对于稳定上述顺磁态至关重要。

“我们工作的一个重要收获是，通过以我们的方式使用专门设计的配体，我们成功地将无机化学两个领域——生物无机化学和有机金属化学——的想法结合起来，制造出与活性物质相似的镍络合物。自然界中最美丽、最复杂的酶之一，”Chakrabarti 说。

研究人员说，最近发现了几种不寻常的酶，它们的活性位点具有金属-碳键。合成复合物中的此类设计原则可能会导致进一步深入了解自然界如何与氢等小分子进行化学反应。

伊利诺伊州前研究人员 Soumalya Sinha、Giang N. Tran 和 Hanah Na 为这项研究做出了贡献。国家科学基金会支持这项研究。