Une équipe internationale de chercheurs a transféré certaines caractéristiques structurelles d'enzymes naturelles, qui assurent une activité catalytique particulièrement élevée, aux nanoparticules métalliques. La réaction chimique souhaitée n'a donc pas eu lieu à la surface des particules comme d'habitude, mais dans des canaux à l'intérieur des particules métalliques – et avec une activité catalytique trois fois plus élevée. Une équipe de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud, Australie, et Ruhr-Universität Bochum, Allemagne, rapporté sur ces nanozymes dans le Journal de l'American Chemical Society , publié en ligne le 23 septembre 2018.

Dans le cas des enzymes, les centres actifs, où a lieu la réaction chimique, sont situés à l'intérieur. Les substances réagissantes doivent passer par un canal de la solution environnante au centre actif, où la structure spatiale fournit des conditions de réaction particulièrement favorables. "Il est supposé, par exemple, qu'un pH localement modifié prévaut dans les canaux et que l'environnement électronique des centres actifs est également responsable de l'efficacité des enzymes naturelles, " dit le professeur Wolfgang Schuhmann, directeur du Centre des sciences électrochimiques de Bochum.

Canaux produits dans des particules de nickel-platine

Afin d'imiter artificiellement les structures enzymatiques, les chercheurs ont produit des particules de nickel et de platine d'une dizaine de nanomètres de diamètre. Ils ont ensuite éliminé le nickel par gravure chimique, par lequel des canaux se sont formés. Dans la dernière étape, ils ont désactivé les centres actifs à la surface des particules. « Cela nous a permis de nous assurer que seuls les centres actifs des canaux participaient à la réaction, " explique Patrick Wilde, doctorant au Centre des sciences électrochimiques. Les chercheurs ont comparé l'activité catalytique des particules ainsi produites avec l'activité de particules conventionnelles avec des centres actifs en surface.

Pour le test, l'équipe a utilisé la réaction de réduction de l'oxygène, lequel, entre autres, constitue la base du fonctionnement des piles à combustible. Les centres actifs à l'extrémité des canaux ont catalysé la réaction trois fois plus efficacement que les centres actifs à la surface des particules.

« Les résultats montrent l'énorme potentiel des nanozymes, " résume le Dr Corina Andronescu, chef de groupe au Centre des sciences électrochimiques. Les chercheurs veulent maintenant étendre le concept à d'autres réactions, comme la réduction électrocatalytique du CO2, et étudier plus en détail les principes d'une activité accrue. "Nous aimerions pouvoir imiter encore mieux le fonctionnement des enzymes à l'avenir, " ajoute Schuhmann. "En fin de compte, nous espérons que le concept contribuera aux applications industrielles afin de rendre les processus de conversion d'énergie plus efficaces en utilisant de l'électricité produite à partir de sources renouvelables."