设计师用enzyme-like腔分裂水催化剂几乎一样快

利用分子设计,研究人员已经开发出一种合成水氧化催化剂enzyme-like腔加速反应。这种不同寻常的催化系统达到挑战氧化水分解反应速度可比光合作用中光。

水氧化是光合作用的一个关键步骤,涉及到把两个水分子分解为氧气分子和质子使用太阳能。而这一过程在本质上是至关重要的维持生命,廉价复制这个反应的能力有助于满足人类的能源需求通过创建一个稳定的氧和氢。合成模拟自然氧进化复杂是已知的,但通常患有低催化活性或短寿命。“很难氧化水,”解释道Stefan Bernhard卡内基梅隆大学可再生能源化学家,我们。的过程需要4个电子的转移,所以需要大量的电化学、光化学能量。特别棘手的一个方面是确保催化剂不只是“烧”这些苛刻的条件。

钌金属中心显示承诺像水氧化催化剂,但是他们的性能强烈依赖于机械的通路oxygen-oxygen bond-forming反应。改变pH值可以促进preorganisation金属中心周围的水分子,有利于水亲核攻击的机制,导致增强的催化性能。然而,这种催化剂设计中已很少使用。

德国的研究人员已经开发出一种pH-sensitive大环的钌系统,能够形成一个enzyme-like腔在酸性条件下金属中心周围。传统的过渡金属催化剂设计都集中在直接绑定配体来优化电子性质和结构环境,”说弗兰克Wurthner德国维尔茨堡Julius-Maximilians-University的有机化学家。这里我们有嵌入式的钌催化剂的macrocycle利用官能团位置的对面的口袋里。

广泛的机械的分析显示,macrocycle就像一个pH-controlled门,关闭在酸性条件下形成小分子间隙。在低pH值,基本组织的骨干macrocycle成为质子化了的,导致轻微的旋转的轴向配体。这将创建一个封闭的enzyme-like腔中氢键preorganise水分子的活性钌中心,使快速氧化。

每秒140次失误催化剂是非常快,”伯纳德的评论。但催化剂实际营业额多少次?优雅的——但脆弱——质子transfer-orchestrating部分催化剂可能大大影响系统的鲁棒性。这是一个重要的经济考虑可行的催化剂在任何太阳能燃料发电系统。失误越多,你的燃料会变得便宜。”

团队最终想开发这个催化剂成一个自给自足的分子系统,不依赖于牺牲氧化试剂支持催化循环。然而,Wurthner还认为,这种催化剂设计策略为所有的催化领域的研究人员更广泛的影响。我真的希望,我们的工作将有助于在均相催化中工作的人。我认为有一个反对环境的利用大量未开发的地区控制催化反应。