E se non ci fossero tunnel nelle Alpi svizzere? Chiunque cercasse di attraversarli dovrebbe andare su e giù per le colline e zigzagare intorno alle catene montuose. Si risparmia molta più energia e tempo passando attraverso un tunnel che scalando una montagna. Questo è simile a come funzionano i catalizzatori:accelerano le reazioni chimiche abbassando l'energia necessaria per raggiungere lo stato fisico desiderato.

Nei processi di produzione industriale, catalisi eterogenea, che tipicamente comporta l'uso di catalizzatori solidi posti in una miscela di reazione liquida o gassosa, ha molte potenziali applicazioni. Essendo in una fase diversa, catalizzatori eterogenei possono essere facilmente separati da una miscela di reazione. In questo modo, i catalizzatori possono essere efficacemente recuperati e riciclati, essendo abbastanza ecologico. Inoltre, mostrano un'attività molto stabile anche in condizioni di reazione difficili. Nonostante tali vantaggi, Si è pensato che la catalisi eterogenea consenta una minore interazione e controllabilità rispetto alla catalisi omogenea a causa di una scarsa comprensione del suo processo di reazione.

I ricercatori del Center for Nanoparticle Research (guidato dal direttore Taeghwan Hyeon) all'interno dell'Institute for Basic Science (IBS) in collaborazione con il professor Ki Tae Nam della Seoul National University e il professor Hyungjun Kim del KAIST hanno dimostrato per la prima volta una catalisi eterogenea simile a un enzima . Hanno sviluppato un TiO . eterogeneo altamente attivo ₂ fotocatalizzatore incorporato con molti singoli atomi di rame. Hanno usato questo catalizzatore per la produzione di idrogeno fotocatalitico, e ha scoperto che il catalizzatore è attivo quanto il Pt-TiO . più attivo e costoso ₂ catalizzatore.

I ricercatori si sono impegnati a modellare la struttura del catalizzatore in modo simile ai catalizzatori più efficienti e reattivi che sono gli enzimi biologici. Gli enzimi comprendono atomi di metallo cataliticamente attivi e proteine ​​circostanti che lavorano a stretto contatto per mantenere i loro feedback in movimento avanti e indietro. Grazie a questa comunicazione interna cooperativa, gli enzimi possono adattare rapidamente la loro struttura per adattarsi in modo ottimale alle reazioni desiderate (generalmente noto come modello di adattamento indotto). Durante l'adattamento, gli enzimi ritornano a intermittenza alle loro forme originali e si riformano. Il professor Hyeon dice, "Per la prima volta, abbiamo scoperto che un processo di attivazione reversibile e cooperativo simile a un enzima si verifica anche in catalizzatori eterogenei. Questa è una piattaforma senza precedenti che unisce i vantaggi di catalizzatori eterogenei ed enzimi biologici. Pur presentando la robusta stabilità dei catalizzatori eterogenei, le caratteristiche cooperative e reversibili degli enzimi aggiungono una significativa controllabilità, che alla fine porta un'elevata attività per la produzione di idrogeno (il combustibile più efficiente e ideale) dalle reazioni di scissione dell'acqua fotocatalitiche."

Gli enzimi biologici sono stati considerati un modello centrale per lo sviluppo di catalizzatori artificiali. Sono stati utilizzati con successo nella progettazione di catalizzatori omogenei per varie reazioni. Ancora, non vi era alcuna relazione su catalizzatori eterogenei di importanza industriale con queste caratteristiche simili a enzimi a causa della mancanza di comprensione a livello atomico dei catalizzatori eterogenei. Questo nuovo studio dimostra che i catalizzatori eterogenei possono funzionare come enzimi, confermando il principio fondamentale che l'interazione cooperativa tra catalizzatori atomici e ambienti adiacenti ha un'influenza significativa sulle proprietà complessive del materiale e sull'attività catalitica.

Combinando simulazioni teoriche e tecnologie di sintesi di nanomateriali, i ricercatori hanno sintetizzato un catalizzatore eterogeneo simile a un enzima. (Fig. 2) Coprivano un TiO . di forma rotonda ₂ substrato con rame a singolo atomo. Hanno avvolto TiO ₂ e atomi di rame insieme. La successiva cottura ha stabilizzato con successo singoli atomi di rame esclusivamente su siti di titanio. È stato fondamentale per questo studio progettare catalizzatori a singolo atomo site-specific, poiché questa struttura a singolo atomo imita direttamente la struttura degli enzimi (costituita da ioni metallici a singolo atomo e proteine ​​circostanti).

interessante, il singolo atomo sito-specifico sintetizzato Cu/TiO ₂ catalizzatori hanno subito un processo di fotoattivazione unico. Assorbendo la luce, TiO ₂ eccita un elettrone. L'elettrone eccitato viene trasferito ad un singolo atomo di rame attraverso un semplice cambiamento di stato di ossidazione. Il trasferimento di un elettrone a sua volta cambia intorno a TiO ₂ strutture (proprio come il modello di adattamento indotto di un enzima). Questo stato attivo si inverte quindi allo stato di riposo iniziale quando un elettrone viene trasferito di nuovo al TiO ₂ da un atomo di metallo. Infatti, questo meccanismo interattivo e reversibile è stato confermato con il Cu/TiO . bianco ₂ che diventa rapidamente nero sotto l'irradiazione della luce, e torna al suo colore bianco iniziale quando viene spurgato con l'aria. Grazie a queste caratteristiche enzimatiche, singolo atomo Cu/TiO ₂ catalizzatore trasformato oltre il 40% dell'energia luminosa in H ₂ , un'attività catalitica eccezionalmente elevata, che è attivo quanto il Pt-TiO . più attivo e costoso ₂ fotocatalizzatore. L'idrogeno è noto per essere il combustibile più efficiente e ideale perché genera acqua come unico sottoprodotto.