تولید هیدروژن توسط آنزیم بیولوژیکی

به گفته محققان، یک آنزیم بیولوژیکی باستانی به نام نیکل-آهن هیدروژناز ممکن است نقش کلیدی در تولید هیدروژن در زمینه انرژی های تجدید پذیر ایفا نماید. مطالعه دقیق این آنزیم شیمیدانان را به طراحی مولکولی مصنوعی سوق داده است که واکنش شیمیایی تولید گاز هیدروژن توسط آنزیم را تقلید می کند.

شرح پژوهش

در حال حاضر، تولید هیدروژن صنعتی معمولاً با جداسازی مولکول‌های گاز هیدروژن از اتم‌های اکسیژن موجود در آب با استفاده از فرآیندی به نام الکترولیز انجام می‌شود. برای تقویت این واکنش شیمیایی در محیط صنعتی، از فلز پلاتین به عنوان کاتالیزور در کاتدهایی که واکنش را هدایت می کنند، استفاده می شود. با این حال، بسیاری از مطالعات نشان داده‌اند که هزینه و کمیاب بودن پلاتین باعث می‌شود که آن را غیرمعمول کند.

لیویو میریکا، پروفسور شیمی میگوید آنزیم نیکل-آهن هیدروژناز، با استفاده از فلزات فراوان زمین در هسته خود، هیدروژن تولید می کند.

شیمیدانان ترکیبات نیکلی را ساخته اند که باعث تولید هیدروژن می شود. نیکل در هسته آنزیم طبیعی با کاهش پروتون های آب، هیدروژن تولید می کند. در طول فرآیند کاتالیزوری، مرکز نیکل از میان واسطه های پارامغناطیس عبور می کند و این واسطه ها دارای یک الکترون جفت نشده هستند.

میریکا میگوید محققان سعی می‌کنند دقیقاً آنچه را که طبیعت انجام می‌دهد تقلید کنند، زیرا کارآمدی آن افزایش میابد، و به حداکثر رساندن کارایی، یک چالش کلیدی است که باید در مهندسی منابع انرژی  به آن توجه کرد. بازتولید مراحل میانی پارامغناطیس که در آنزیم طبیعی رخ می‌دهد، چیزی است که گروه تحقیقاتی ما در تلاش برای رسیدن به آن است.

برای رسیدن به این هدف، این تیم یک مولکول آلی به نام لیگاند طراحی کرد که حاوی اتم‌های اهداکننده الکترون مانند نیتروژن و گوگرد است و می‌تواند نیکل را در جای خود نگه دارد و از دو حالت پارامغناطیس مربوطه که  تولید هیدروژن می‌کنند، پشتیبانی کند. نکته اصلی که این مولکول را از سایر کاتالیزورها متمایز می کند، وجود پیوند کربن-هیدروژن در نزدیکی مرکز نیکل است که در طی کاتالیز شکسته شده و دوباره تشکیل می شود.

نتیجه پژوهش

به گفته محققان چنین اصول طراحی می‌تواند به بینش‌های بیشتری در مورد چگونگی انجام تحقیقات شیمیایی با تقلید از طبیعت برای تولید مولکول‌های کوچکی مانند هیدروژن بیانجامد. لازم به ذکر است که درگذشته نه چندان دور، چندین آنزیم غیرمعمول پیدا شده است که دارای پیوندهای فلز-کربن در مکان‌های فعال خود هستند، به همین دلیل محققان در حال تحقیق و پژوهش های بیشتر در زمینه تولید هیدروژن میباشند.