Pour que l'énergie éolienne et solaire devienne les piliers des énergies renouvelables, l'énergie qu'ils produisent par intermittence doit être stockée et récupérée efficacement. Et cela nécessite de stocker l'énergie solaire dans des liaisons chimiques jusqu'à ce que l'énergie soit nécessaire. Pour être économe en énergie, et donc rentable, il y a un grand besoin de catalyseurs réversibles, agents chimiques qui forment et rompent rapidement les liaisons chimiques dans les deux sens.

Maintenant, en utilisant une conception bio-inspirée qui imite les catalyseurs-enzymes de la nature, des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont conçu un catalyseur synthétique réversible rarement vu. Leurs recherches, une collaboration entre le chimiste postdoctoral du PNNL Arnab Dutta et les chimistes Wendy Shaw et Aaron Appel, a été examiné dans un Nature Avis Chimie article intitulé, "Concevoir des H électrochimiquement réversibles 2 catalyseurs d'oxydation et de production." L'article décrit trois générations de catalyseurs qui ont réalisé une catalyse réversible, une caractéristique du comportement enzymatique efficace. Il passe en revue non seulement leurs recherches, mais également les progrès réalisés sur les caractéristiques de conception nécessaires pour développer des catalyseurs réversibles pour l'oxydation et la production d'hydrogène en utilisant des métalloenzymes naturelles comme modèles.

« Le développement de catalyseurs réversibles et rapides est considéré comme le « Saint Graal » dans la recherche sur la catalyse, " dit Dutta, aujourd'hui professeur assistant à l'Indian Institute for Technology, Gandhinagar. "Il fournit l'outil le plus efficace pour l'interconversion d'espèces chimiques avec presque aucun gaspillage d'énergie."

Avec leur réversibilité et leurs structures hautement efficaces et finement assemblées, les enzymes fournissent un modèle attrayant pour les catalyseurs synthétiques. L'étude décrit la conception d'électrocatalyseurs économes en énergie qui interviennent dans les réactions directes et inverses à des vitesses élevées avec une perte d'énergie minimale. Spécifiquement, ils ont développé une série de catalyseurs moléculaires au nickel et ont découvert qu'en positionnant correctement les acides aminés inspirés des enzymes, ils pouvaient maintenir des taux rapides d'oxydation de l'hydrogène.

L'idée critique impliquait la conception de la structure du site actif à l'intérieur d'un échafaudage inspiré des protéines étroitement connecté.

"L'échafaudage protéique structuré est crucial pour l'efficacité étonnante de l'activité enzymatique car il orchestre les aspects thermodynamiques et cinétiques - les besoins énergétiques et la vitesse - du cycle catalytique, " dit Dutta.

La nouvelle conception diverge de la conception typique du catalyseur, qui se concentre souvent sur le noyau métallique et l'environnement immédiat autour du métal, avec peu d'attention accordée aux régions au-delà du site actif. Développer des catalyseurs synthétiques hautement actifs et efficaces utilisant des complexes de métaux non précieux, la structure étendue doit être utilisée et soigneusement conçue, selon l'équipe de recherche.

L'équipe de recherche travaille maintenant à l'extension de ces résultats, qui ont été accomplis en solution, aux conditions de pile à combustible sèche nécessaires à une application industrielle. Ils travaillent avec des collaborateurs sur un prototype de biopile à combustible qui intégrerait les résultats obtenus dans cette recherche.