För att vind- och solkraft ska bli stöttepelare för förnybar energi, energin de producerar intermittent måste lagras och återvinnas effektivt. Och det kräver att solenergi lagras i kemiska bindningar tills energin behövs. För att vara energieffektiv, och därmed kostnadseffektiv, det finns ett stort behov av reversibla katalysatorer, kemiska medel som snabbt bildar och bryter kemiska bindningar i båda riktningarna.

Nu, använder en bioinspirerad design som efterliknar naturens katalysatorer-enzymer, forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) har designat en sällan skådad reversibel syntetisk katalysator. Deras forskning, ett samarbete mellan PNNL postdoktorale kemisten Arnab Dutta och personalkemisterna Wendy Shaw och Aaron Appel, granskades i en Naturrecensioner Kemi artikel med titeln, "Designa elektrokemiskt reversibel H ₂ oxidations- och produktionskatalysatorer." Artikeln beskriver tre generationer av katalysatorer som uppnådde reversibel katalys, ett kännetecken för effektivt enzymbeteende. Den granskar inte bara deras forskning utan också framsteg när det gäller designfunktioner som behövs för att utveckla reversibla katalysatorer för väteoxidation och produktion med naturliga metalloenzymer som modeller.

"Att utveckla reversibla och snabba katalysatorer anses vara den "heliga gralen" inom katalysforskning, sa Dutta, nu biträdande professor vid Indian Institute for Technology, Gandhinagar. "Det ger det mest effektiva verktyget för omvandling av kemiska arter med nästan noll energiavfall."

Med sin reversibilitet och sina mycket effektiva och intrikat sammansatta strukturer, enzymer utgör en attraktiv modell för syntetiska katalysatorer. Studien beskriver designen av energieffektiva elektrokatalysatorer som förmedlar framåt- och bakåtreaktioner i höga hastigheter med minimal energiförlust. Specifikt, de utvecklade en serie molekylära nickelkatalysatorer och fann att de genom att korrekt positionera enzyminspirerade aminosyror kunde upprätthålla snabba hastigheter för oxidation av väte.

Den kritiska insikten innebar att designa den aktiva platsstrukturen inuti en intrikat sammankopplad proteininspirerad ställning.

"Den strukturerade proteinställningen är avgörande för den fantastiska effektiviteten av enzymaktivitet eftersom den orkestrerar de termodynamiska och kinetiska aspekterna - energikraven och hastigheten - i den katalytiska cykeln, sa Dutta.

Den nya designen avviker från typisk katalysatordesign, som ofta fokuserar på metallkärnan och den omedelbara miljön runt metallen, med liten uppmärksamhet åt regioner utanför den aktiva platsen. Att utveckla mycket aktiva och effektiva syntetiska katalysatorer med användning av icke-ädelmetallkomplex, den utökade strukturen måste användas och noggrant utformas, enligt forskargruppen.

Forskargruppen arbetar nu med att utöka dessa resultat, som åstadkoms i lösning, till de torra bränslecellsförhållanden som är nödvändiga för industriell tillämpning. De arbetar med samarbetspartners på en prototyp av biobränslecell som skulle inkludera resultaten som uppnåtts i denna forskning.