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进入快车道意味着远离催化剂核心的微小调整

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当谈到制造催化剂,迅速捕获化学键和释放储存的能量,研究人员经常集中在活性部位。但是,远离活动地点的小变化也会产生很大的影响。从西北太平洋国家实验室(PNNL)的研究人员获得酶的提示,将氨基酸精氨酸置于氢分解催化剂的外围,氢分解催化剂将氢分解为质子和电子。精氨酸的羧酸基团加速了质子转移,使催化剂更加节能。同时,精氨酸胍基彼此相互作用以提高氢结合和活化的速率。加上精氨酸和133 atm的氢气,这种天然的催化剂可以在一秒钟内分解出144,000个氢气分子。

“在这里,我们将天然酶的最小元素合成到合成催化剂中,以理解它们的作用,并开始确定使分子催化剂与酶相同或更好的必要性”,Arnab Dutta博士说,从事这项研究的PNNL的博士后研究员。

为何如此重要:只有当阳光普照时,很少有人需要电力。如果太阳能和风能可以发挥更大的作用,如果它们捕获的能量被储存在燃料的化学键中,例如燃料电池中的氢,然后作为电力被回收。氢化酶完全可以做到这一点,而且迅速:有些能够每秒钟切割10,000个氢分子,而且能量很少,而且没有贵金属如铂。酶由活性位点和蛋白质支架组成。活动网站是行动的地方;然而,核心或活跃的网站并不是全部。

PNNL团队假设,为了模拟酶的速度和能量效率,他们必须保持蛋白质支架或外部协调球的选择性部分,在这种情况下是单个氨基酸。通过这项研究,科学家们越来越接近酶的速度和能量效率 - 所有这些变化都远离活性位点,并且在比燃料电池条件下的酶更稳定的系统中。

方法:该团队开始与基于镍的DuBois催化剂,其中有一个质子继电器。他们增加了第二个质子继电器来构建质子通道,将质子从活性位点移动到周围的解决方案。在这些渠道中,质子像接力赛中的接力棒一样从一个接力传递到下一个接力。该队向复合体添加了精氨酸,让另一名选手参加比赛。修改后的催化剂缩写为[NiII(PCy 2 NArg 2 )8+;精氨酸代表精氨酸。


精氨酸的结构,与胍基团和羧酸注意到,和催化剂。放大图片。

选择精氨酸是因为它在移动蛋白质和酶中的质子和稳定结构中发挥重要作用。在合成催化剂中,这种氨基酸的羧酸基团使质子迅速移动,降低了催化所需的过量能量。 8+系统是目前已知的最节能的合成催化剂之一。

PNNL化学家约翰·A·罗伯茨博士说:“能源效率与能源技术极为相关,我们的研究使我们能够对影响或改变能源效率的一般理解进行总结。当精氨酸的胍基被引入进一步增强质子运动的想法时,它们起到不同的作用,相互作用引起活性位点形状的变化,导致催化剂在一秒钟内分裂210个氢分子1个大气压的氢气,比之前报道的复合物快四倍。当氢气压力增加到133个大气压时,催化剂每秒可以打破144,000个分子,速度提高了几个数量级。

在某些方面,团队的催化剂比其自然的灵感更适合于现实世界的能源技术,因为极端的溶液酸度会使某些酶失去活性。该催化剂在基础和工程中都有效 中性条件,并且在燃料电池遇到的高酸性条件下运行最佳。

该研究基于理解酶的功能并将执行这些功能的组分添加到简单的合成催化剂中来演示自下而上的方法。负责这项研究的PNNL生物物理化学家Wendy Shaw博士说:“我们的方法是广泛适用的。 “随着我们对外部协调领域如何发挥作用的理解的增加,我们可以采取自下而上的方法来提高其反应性,操作性,特异性以及所有酶的功能。”

什么是下一步:为了解质子通道中胍配对的结构作用,团队正在研究环境如何改变催化剂的行为和其他结构元素的影响。此外,他们还与两个组织合作,将催化剂附着在碳纳米管上,用于燃料电池,并将其附着到量子点用于光催化应用。

来源:PNNL

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