Affinché l'energia eolica e solare diventino i pilastri delle energie rinnovabili, l'energia che producono in modo intermittente deve essere immagazzinata e recuperata in modo efficiente. E ciò richiede l'immagazzinamento dell'energia solare in legami chimici fino a quando l'energia non è necessaria. Per essere efficienti dal punto di vista energetico, e quindi conveniente, c'è un grande bisogno di catalizzatori reversibili, agenti chimici che formano e rompono rapidamente i legami chimici in entrambe le direzioni.

Ora, utilizzando un design bio-ispirato che imita i catalizzatori-enzimi della natura, i ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno progettato un catalizzatore sintetico reversibile raramente visto. La loro ricerca, una collaborazione tra il chimico postdottorato del PNNL Arnab Dutta e i chimici dello staff Wendy Shaw e Aaron Appel, è stato recensito in a Natura Recensioni Chimica articolo intitolato, "Progettare H . elettrochimicamente reversibile ₂ catalizzatori di ossidazione e produzione." L'articolo descrive tre generazioni di catalizzatori che hanno raggiunto la catalisi reversibile, un segno distintivo di un comportamento enzimatico efficiente. Esamina non solo la loro ricerca, ma anche i progressi sulle caratteristiche di progettazione necessarie per sviluppare catalizzatori reversibili per l'ossidazione e la produzione di idrogeno utilizzando metalloenzimi naturali come modelli.

"Lo sviluppo di catalizzatori reversibili e veloci è considerato il 'Santo Graal' nella ricerca sulla catalisi, " disse Dutta, ora assistente professore all'Indian Institute for Technology, Gandinagar. "Fornisce lo strumento più efficiente per l'interconversione di specie chimiche con uno spreco di energia quasi nullo".

Con la loro reversibilità e le loro strutture altamente efficienti e finemente assemblate, gli enzimi forniscono un modello interessante per i catalizzatori sintetici. Lo studio descrive la progettazione di elettrocatalizzatori efficienti dal punto di vista energetico che mediano reazioni avanti e indietro ad alte velocità con una minima perdita di energia. Nello specifico, hanno sviluppato una serie di catalizzatori molecolari di nichel e hanno scoperto che posizionando correttamente gli amminoacidi ispirati agli enzimi potevano mantenere velocità elevate per l'ossidazione dell'idrogeno.

L'intuizione critica ha comportato la progettazione della struttura del sito attivo all'interno di un'impalcatura ispirata alle proteine ​​strettamente connessa.

"Lo scaffold proteico strutturato è cruciale per l'incredibile efficienza dell'attività enzimatica in quanto orchestra gli aspetti termodinamici e cinetici - i requisiti energetici e la velocità - del ciclo catalitico, " disse Dutta.

Il nuovo design si discosta dal tipico design del catalizzatore, che spesso si concentra sull'anima metallica e sull'ambiente circostante intorno al metallo, con poca attenzione alle regioni al di fuori del sito attivo. Per sviluppare catalizzatori sintetici altamente attivi ed efficienti utilizzando complessi di metalli non preziosi, la struttura estesa deve essere utilizzata e progettata con cura, secondo il gruppo di ricerca.

Il team di ricerca sta ora lavorando per estendere questi risultati, che sono stati realizzati in soluzione, alle condizioni di cella a combustibile a secco necessarie per l'applicazione industriale. Stanno lavorando con i collaboratori su un prototipo di cella a biocombustibile che incorporerebbe i risultati ottenuti in questa ricerca.