科學(xué)家創(chuàng)造了受生命酶啟發(fā)的人造催化劑

所有生物都依賴于酶 - 分子，加速生命必需的生化反應(yīng)。

幾十年來，科學(xué)家們一直在努力創(chuàng)造能夠在工業(yè)規(guī)模上開發(fā)出重要化學(xué)品和燃料的人工酶，其性能可與天然的同類產(chǎn)品相媲美。

斯坦福大學(xué)和SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員開發(fā)出一種合成催化劑，可以像酶在生物體中那樣生成化學(xué)物質(zhì)。在8月5日出版的“ 自然催化”雜志上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，研究人員表示，他們的發(fā)現(xiàn)可能導(dǎo)致工業(yè)催化劑能夠以更低的能耗和更低的成本生產(chǎn)甲醇。甲醇具有多種應(yīng)用，并且對(duì)其用作比傳統(tǒng)汽油具有更低排放的燃料的需求不斷增長。

“我們從大自然中汲取靈感，”資深作者，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程助理教授Matteo Cargnello說。“我們希望使用人工催化劑模擬實(shí)驗(yàn)室中天然酶的功能，以制造有用的化合物。”

在實(shí)驗(yàn)中，研究人員設(shè)計(jì)了一種由鈀(一種貴金屬)納米晶體制成的催化劑，嵌入多層聚合物中，具有特殊的催化性能。在自然界中發(fā)現(xiàn)的大多數(shù)蛋白質(zhì)酶也含有痕量金屬，如鋅和鐵，嵌入其核心。

研究人員通過標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的共同作者Andrew Herzing的電子顯微鏡圖像觀察了催化劑中的痕量鈀。

模型反應(yīng)

“我們專注于模型化學(xué)反應(yīng)：將有毒的一氧化碳和氧氣轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)，”博士說。該研究的第一作者，學(xué)生Andrew Riscoe。“我們的目標(biāo)是通過加速反應(yīng)和控制二氧化碳的生成方式來觀察人造催化劑是否像酶一樣發(fā)揮作用。”

為了找到答案，Riscoe將催化劑放入一個(gè)連續(xù)流動(dòng)的一氧化碳和氧氣的反應(yīng)器管中。當(dāng)管加熱至約150攝氏度(302華氏度)時(shí)，催化劑開始產(chǎn)生所需產(chǎn)物二氧化碳。

科學(xué)家發(fā)明了一種由軟聚合物(紫色)和硬鈀核(粉紅色)制成的酶樣催化劑。加熱時(shí)，鈀將氧和一氧化碳(黃色和橙色)分子化學(xué)轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)。當(dāng)聚合物被二氧化碳飽和時(shí)，反應(yīng)停止，二氧化碳是活酶所采用的策略。正在研究開發(fā)在低溫下將天然氣轉(zhuǎn)化為甲醇的催化劑。圖片來源：Gregory Stewart / SLAC加速器實(shí)驗(yàn)室

來自SLAC的斯坦福同步輻射光源(SSRL)的高能X射線顯示催化劑具有與酶中所見類似的特性：催化劑內(nèi)的鈀納米晶體連續(xù)地與氧氣和一氧化碳反應(yīng)產(chǎn)生二氧化碳。并且一些新形成的二氧化碳分子在從納米晶體中逸出時(shí)被捕獲在外聚合物層中。

“X射線顯示，一旦聚合物層充滿二氧化碳，反應(yīng)就會(huì)停止，”斯坦福天然氣倡議組織(NGI)的附屬機(jī)構(gòu)Cargnello說。“這很重要，因?yàn)樗c酶使用的策略相同。當(dāng)酶產(chǎn)生過多的產(chǎn)品時(shí)，它會(huì)停止工作，因?yàn)椴辉傩枰a(chǎn)品。我們表明我們也可以通過控制產(chǎn)品來調(diào)節(jié)二氧化碳的產(chǎn)生。聚合物層的化學(xué)成分。這種方法可能影響許多催化領(lǐng)域。“

X射線成像由研究合作者斯坦福大學(xué)博士后學(xué)者Alexey Boubnov以及SLAC科學(xué)家Simon Bare和Adam Hoffman進(jìn)行。

制造甲醇

隨著二氧化碳實(shí)驗(yàn)的成功，Cargnello及其同事將注意力轉(zhuǎn)向?qū)⒓淄?天然氣的主要成分)轉(zhuǎn)化為甲醇，甲醇是一種廣泛用于紡織品，塑料和涂料的化學(xué)品。甲醇也被吹捧為汽油燃料的更便宜，更清潔的替代品。

“在低溫下將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的能力被認(rèn)為是催化劑的圣杯，”Cargnello說。“我們的長期目標(biāo)是建立一種催化劑，其行為類似甲烷單氧化酶，這是某種微生物用來代謝甲烷的天然酶。”

今天的大多數(shù)甲醇是通過兩步法生產(chǎn)的，包括將天然氣加熱到約1000℃(1,800℉)的溫度。但是，這種能源密集型過程會(huì)釋放大量二氧化碳，這是一種有助于全球氣候變化的強(qiáng)效溫室氣體。

Riscoe解釋說：“將甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲醇的人工催化劑需要更低的溫度，并且排放更少的二氧化碳。” “理想情況下，我們還可以通過設(shè)計(jì)在甲醇燃燒前捕獲甲醇的聚合物層來控制反應(yīng)產(chǎn)物。”

未來的酶

“在這項(xiàng)工作中，我們證明了我們可以制備由聚合物和金屬納米晶體制成的混合材料，這些材料具有典型的酶活性特征，”Cargnello說道，他也是斯??坦福大學(xué)SUNCAT界面科學(xué)和催化中心的附屬機(jī)構(gòu)。“令人興奮的是，我們可以將這些材料應(yīng)用于許多系統(tǒng)，幫助我們更好地了解催化過程的細(xì)節(jié)，并使我們更接近人工酶。”