Forskare från Kyushu University och Kumamoto University i Japan har utvecklat en ny katalysator som kan hjälpa tre nyckelreaktioner för att använda väte inom energi och industri. Inspirerad av tre typer av enzymer i naturen, denna forskning kan hjälpa till att belysa okända samband mellan katalysatorer, bana väg för effektiv användning av vätgas som nästa generations energikälla i framtiden.

producerar endast vatten när det används i en bränslecell för att generera elektricitet, väte lovar mycket som en ren energikälla för att möta miljöutmaningar runt om i världen. En nyckel för att etablera väte som nästa generations energikälla är utvecklingen av katalysatorer – kemikalier som hjälper till och påskyndar reaktioner utan att förbrukas i processen – som hjälper till att använda det effektivt.

Katalysatorer spelar en roll inte bara för att dela vätemolekyler för att generera elektricitet i bränsleceller utan också för att sätta samman väteatomer för att bilda bränslet. Väte har också många tillämpningar inom den kemiska industrin, ofta kopplade till molekyler genom hydrogeneringsprocessen för att ändra deras egenskaper.

Naturen har redan utvecklat sin egen uppsättning biologiska katalysatorer, kända som enzymer, kapabla till samma grundläggande reaktioner. Dock, var och en av dessa tre reaktioner kräver en annan typ av enzym, och dessa hydrogenasenzymer kan grupperas efter de metaller de innehåller:en atom vardera av nickel och järn, två järnatomer, eller en enda järnatom.

Med inspiration från naturen, forskarlag ledda av Seiji Ogo från Kyushu University och Shinya Hayami från Kumamoto University rapporterar nu i tidskriften Vetenskapens framsteg att en enda katalysator kan utföra alla tre rollerna.

"När vi tittar på nyckelstrukturerna för de tre typerna av hydrogenasenzymer i naturen, vi kunde designa en molekyl som kunde efterlikna alla dessa strukturer beroende på var väte fäster till den, sa Ogo, professor vid Kyushu Universitys institution för kemi och biokemi.

Katalysatorn som forskarna utvecklade innehåller nickel och järn som nyckelmetaller. Beroende på reaktionsförhållandena, väteatomer kommer att ansluta till molekylen på ett något annat sätt, leder till en vridning av molekylen som sätter den i en konfiguration som är bäst lämpad för en av de tre typerna av reaktioner.

Medan enzymerna i naturen är beroende av olika uppsättningar av metaller för att utföra dessa reaktioner, den nyutvecklade katalysatorn drar fördel av att den molekylära twisten räcker för att växla mellan strukturer som liknar de tre typerna av enzymer, därigenom erhåller liknande funktioner utan att ändra metallerna.

"På ett sätt, vi har skapat en molekyl med en ratt på, " förklarar Ogo. "Genom att vrida på ratten och vrida delar av molekylen, vi kan förvandla det till tre olika typer av katalysatorer – en för bränsleceller, en för väteproduktion, och en annan för hydrering."

Ogo tillägger, "Detta har gjort det möjligt för oss att reda ut tre funktioner som tidigare var sammanflätade."

Även om molekylen kanske inte är lämplig för praktiska tillämpningar för närvarande, det pekar mot möjligheten att utveckla en enda katalysator med flera användningsområden. Mer viktigt, den bättre förståelsen för de katalytiska processer som denna molekyl ger kan ge avgörande insikter i naturliga enzymer och utvecklingen av framtida katalysatorer för att förverkliga ett vätedrivet samhälle.