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將催化劑放入一個連續(xù)流動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，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，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，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，它會停止工作，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。”