L'ossigeno è il più grande nemico dei biocatalizzatori per la conversione dell'energia. Una pellicola protettiva li protegge, ma solo con un ingrediente aggiuntivo:il sale ioduro.

Contrariamente alle previsioni teoriche, l'ossigeno inattiva in breve tempo i biocatalizzatori per la conversione dell'energia, anche sotto una pellicola protettiva. Un team di ricerca del Resolv Cluster of Excellence presso la Ruhr Universität Bochum (RUB) ha scoperto il motivo:sul film protettivo si forma perossido di idrogeno. L'aggiunta di sali ioduri all'elettrolita può impedire che ciò accada e allungare notevolmente la vita dei catalizzatori. Il team attorno al professor Nicolas Plumeré di Resolv, Il dott. Erik Freier del Leibniz Institute for Analytical Sciences di Dortmund e il professor Wolfgang Lubitz del Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion di Mülheim riportano i suoi risultati in Comunicazioni sulla natura .

Disattivato in pochi secondi

I catalizzatori biologici e di ispirazione bio sono disponibili in abbondanza e le loro prestazioni catalitiche sono vicine a quelle dei catalizzatori di metalli preziosi. Tuttavia, non sono ampiamente utilizzati per i processi di conversione dell'energia. La ragione di ciò è la loro instabilità. "Alcuni dei catalizzatori di conversione di piccole molecole più attivi rilevanti per i sistemi energetici sostenibili sono così sensibili all'ossigeno che vengono completamente disattivati ​​in pochi secondi quando entrano in contatto con esso, " spiega Nicolas Plumeré.

Il gruppo di ricerca ha scoperto di recente che i film con attività redox possono proteggere da questo fenomeno bio-ispirato e persino biocatalizzatori come le idrogenasi. I modelli teorici prevedono che la protezione contro l'ossigeno dovrebbe durare indefinitamente. Negli esperimenti, però, questa protezione è stata finora efficace solo per poche ore. "Questo contraddice i nostri calcoli teorici e non può essere spiegato, anche in considerazione della durata dello stesso catalizzatore in un ambiente privo di ossigeno, " dice Plumeré. Quest'ultimo è fino a sei settimane con un turnover costante.

La combinazione di metodi esplora il problema

Ciò ha portato i ricercatori a concludere che il meccanismo di protezione contro l'ossigeno non è ancora stato compreso, o che a parte la disattivazione da ossigeno, si verificano ulteriori processi dannosi. Per indagare su questo, hanno combinato vari metodi che hanno permesso loro di esaminare in dettaglio ciò che accade nel livello protetto. La combinazione di microscopia confocale a fluorescenza e coerente anti-Stokes Raman scattering eseguita in laboratorio da Erik Freier, con l'elettrochimica per l'analisi della matrice protettiva ha mostrato:Il processo protettivo porta ad un accumulo di perossido di idrogeno, che favorisce il danneggiamento del film catalitico.

I ricercatori mostrano che la decomposizione del perossido di idrogeno con sali di ioduro aumenta l'emivita di un'idrogenasi per l'ossidazione dell'idrogeno fino a una settimana a ricambio costante, anche con esposizione costante ad alte concentrazioni di ossigeno. "Globale, i nostri dati confermano la teoria che i film redox rendono i catalizzatori sensibili all'ossigeno completamente immuni alla disattivazione diretta da parte dell'ossigeno, " conclude Plumeré. "Tuttavia, è molto importante anche sopprimere la produzione di perossido di idrogeno per ottenere una protezione completa contro lo stress ossidativo."

"Il nostro lavoro mostra che la semplice strategia di aggiungere sali di ioduro all'elettrolita può essere sufficiente per ridurre significativamente i tassi di inattivazione dei biocatalizzatori, " affermano i ricercatori. Ritengono che ciò consentirà l'implementazione diffusa di altri processi elettrocatalitici in applicazioni reali. Ciò include anche processi di conversione dell'energia come la generazione di carburante solare mediante riduzione dell'anidride carbonica e l'elettrosintesi di prodotti chimici fini o di base come l'ammoniaca.