Para que a energia eólica e solar se tornem pilares da energia renovável, a energia que eles produzem de forma intermitente precisa ser armazenada e recuperada com eficiência. E isso requer o armazenamento de energia solar em ligações químicas até que a energia seja necessária. Para ser energeticamente eficiente, e, portanto, com bom custo-benefício, há uma grande necessidade de catalisadores reversíveis, agentes químicos que se formam e quebram rapidamente as ligações químicas em qualquer direção.

Agora, usando um design bioinspirado que imita enzimas-catalisadores da natureza, pesquisadores do Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) desenvolveram um catalisador sintético reversível raramente visto. Sua pesquisa, uma colaboração entre o químico de pós-doutorado do PNNL Arnab Dutta e os químicos da equipe Wendy Shaw e Aaron Appel, foi revisado em um Nature Reviews Chemistry artigo intitulado, "Projetando H eletroquimicamente reversível ₂ catalisadores de oxidação e produção. "O artigo descreve três gerações de catalisadores que alcançaram catálise reversível, uma marca registrada do comportamento enzimático eficiente. Ele revisa não apenas suas pesquisas, mas também o progresso nas características de design necessárias para desenvolver catalisadores reversíveis para a oxidação e produção de hidrogênio usando metaloenzimas naturais como modelos.

"O desenvolvimento de catalisadores reversíveis e rápidos é considerado o 'Santo Graal' na pesquisa de catálise, "disse Dutta, agora professor assistente do Instituto Indiano de Tecnologia, Gandhinagar. "Ele fornece a ferramenta mais eficiente para a interconversão de espécies químicas com quase zero desperdício de energia."

Com sua reversibilidade e suas estruturas altamente eficientes e intrincadamente montadas, as enzimas fornecem um modelo atraente para catalisadores sintéticos. O estudo descreve o projeto de eletrocatalisadores eficientes em termos de energia que medeiam reações diretas e reversas em altas taxas com perda mínima de energia. Especificamente, eles desenvolveram uma série de catalisadores moleculares de níquel e descobriram, posicionando adequadamente os aminoácidos inspirados em enzimas, que podiam manter taxas rápidas de oxidação de hidrogênio.

O insight crítico envolveu o projeto da estrutura do sítio ativo dentro de um arcabouço inspirado em proteínas intrinsecamente conectado.

"O andaime de proteína estruturada é crucial para a incrível eficiência da atividade enzimática, pois orquestra os aspectos termodinâmicos e cinéticos - os requisitos de energia e velocidade - do ciclo catalítico, "disse Dutta.

O novo design diverge do design típico de catalisador, que muitas vezes se concentra no núcleo de metal e no ambiente imediato em torno do metal, com pouca atenção às regiões além do site ativo. Para desenvolver catalisadores sintéticos altamente ativos e eficientes usando complexos de metais não preciosos, a estrutura estendida precisa ser usada e cuidadosamente projetada, de acordo com a equipe de pesquisa.

A equipe de pesquisa agora está trabalhando para estender esses resultados, que foram realizados em solução, às condições de células de combustível secas necessárias para a aplicação industrial. Eles estão trabalhando com colaboradores em um protótipo de célula de biocombustível que incorporaria os resultados alcançados nesta pesquisa.