Исследователи сообщили о своих выводах в журнале Сообщения о природе.

В настоящее время промышленный водород обычно получают путем отделения молекул газообразного водорода от атомов кислорода в воде с использованием процесса, называемого электролизом. Чтобы ускорить эту химическую реакцию в промышленных условиях, металлическая платина используется в качестве катализатора в катодах, которые направляют реакцию. Однако многие исследования показали, что дороговизна и редкость платины делают ее непривлекательной, поскольку мир стремится к более экологичным источникам энергии.

С другой стороны, природный фермент никель-железо-гидрогеназа производит водород, используя в своей сердцевине металлы, которыми богата земля, сказал профессор химии Ливиу Мирика, который руководил исследованием вместе с аспирантом Сагником Чакрабарти.

"Никель, лежащий в основе природного фермента, производит водород путем восстановления протонов в воде", - сказал Чакрабарти. "Во время каталитического процесса никелевый центр проходит через парамагнитные промежуточные соединения, что означает, что промежуточные соединения имеют неспаренный электрон, что делает их чрезвычайно короткоживущими".

По словам Мирики, химики-синтетики уже более десяти лет создают соединения никеля, которые выделяют водород. Хотя некоторые из этих соединений очень эффективны при производстве водорода, подавляющее большинство из них работает через промежуточные продукты, которые не являются парамагнитными.

"Исследователи пытаются в точности имитировать то, что делает природа, потому что это эффективно, а максимизация эффективности является ключевой задачей, которую необходимо преодолеть при разработке источников энергии", - сказала Мирика. "Способность воспроизводить парамагнитные промежуточные стадии, которые происходят в природном ферменте, - это то, чего пытается достичь наша группа: повысить эффективность и имитировать природу".

Чтобы достичь этого, команда разработала органическую молекулу, называемую лигандом, которая содержит атомы, отдающие электроны, такие как азот и сера, и может удерживать никель на месте и поддерживать два соответствующих парамагнитных состояния, которые производят водород. Ключевым элементом конструкции, отличающим эту молекулу от других катализаторов, является наличие углерод-водородной связи вблизи никелевого центра, которая разрывается и вновь образуется в процессе катализа. Это имело решающее значение для стабилизации вышеупомянутых парамагнитных состояний.

"Одним из ключевых результатов нашей работы является то, что, используя специально разработанный лиганд таким образом, как мы это сделали, мы успешно объединили идеи из двух областей неорганической химии - биоорганической и металлоорганической химии - для получения комплексов никеля, которые ведут себя аналогично активному центру одного из самых красивых и сложных природных соединений. ферменты, - сказал Чакрабарти.

По словам исследователей, в недавнем прошлом было обнаружено несколько необычных ферментов, которые имеют металлоуглеродные связи в своих активных центрах. Такие принципы проектирования синтетических комплексов могли бы привести к дальнейшему пониманию того, как природа осуществляет химическую обработку с помощью небольших молекул, таких как водород.

Бывшие исследователи из Иллинойса Сумалья Синха, Джанг Н. Тран и Хана На внесли свой вклад в это исследование. Национальный научный фонд поддержал это исследование.

Мирика также связана с программой неврологии, Институтом передовых наук и технологий Бекмана и Медицинским колледжем Карла Иллинойса в Иллинойсе.