Ett internationellt team av forskare har överfört vissa strukturella egenskaper hos naturliga enzymer, som säkerställer särskilt hög katalytisk aktivitet, till metalliska nanopartiklar. Den önskade kemiska reaktionen skedde således inte vid partikelytan som vanligt, men i kanaler inuti metallpartiklarna – och med tre gånger högre katalytisk aktivitet. Ett team från University of New South Wales, Australien, och Ruhr-Universität Bochum, Tyskland, rapporterade om dessa nanozymer i Journal of the American Chemical Society , publicerades online den 23 september 2018.

När det gäller enzymer, de aktiva centren, där den kemiska reaktionen äger rum, finns inuti. De reagerande ämnena måste passera genom en kanal från den omgivande lösningen till det aktiva centret, där den rumsliga strukturen ger särskilt gynnsamma reaktionsförhållanden. "Det antas, till exempel, att ett lokalt förändrat pH-värde råder i kanalerna och att den elektroniska miljön i de aktiva centra också ansvarar för effektiviteten hos naturliga enzymer, säger professor Wolfgang Schuhmann, chef för Bochum Center for Electrochemical Sciences.

Kanaler producerade i nickel-platina partiklar

För att artificiellt imitera enzymstrukturerna, forskarna producerade partiklar av nickel och platina cirka tio nanometer i diameter. De tog sedan bort nickeln med hjälp av kemisk etsning, varigenom kanaler bildades. I det sista steget, de avaktiverade de aktiva centran på partikelytan. "Detta gjorde det möjligt för oss att säkerställa att endast de aktiva centren i kanalerna deltog i reaktionen, " förklarar Patrick Wilde, doktorand vid Centrum för elektrokemiska vetenskaper. Forskarna jämförde den katalytiska aktiviteten hos de partiklar som produceras på detta sätt med aktiviteten hos konventionella partiklar med aktiva centra på ytan.

För provet, laget använde syrereduktionsreaktionen, som, bland annat, utgör grunden för driften av bränsleceller. Aktiva centra i slutet av kanalerna katalyserade reaktionen tre gånger mer effektivt än aktiva centra på partikelytan.

"Resultaten visar den enorma potentialen hos nanozymer, "sammanfattar doktor Corina Andronescu, en gruppledare vid Centrum för elektrokemiska vetenskaper. Forskarna vill nu utöka konceptet till andra reaktioner, såsom elektrokatalytisk CO2-reduktion, och utreda principerna för ökad aktivitet närmare. "Vi skulle vilja kunna imitera hur enzymer fungerar ännu bättre i framtiden, " tillägger Schuhmann. "I slutändan, vi hoppas att konceptet kommer att bidra till industriella tillämpningar för att göra energiomvandlingsprocesser mer effektiva med el som genereras från förnybara källor."