E se não houvesse túneis nos Alpes suíços? Qualquer um que tentasse viajar por eles teria que subir e descer colinas e ziguezaguear pelas cordilheiras. Muito mais energia e tempo são economizados passando por um túnel do que escalando uma montanha. Isso é semelhante a como os catalisadores funcionam:eles aceleram as reações químicas, reduzindo a energia necessária para atingir o estado físico desejado.

Em processos de fabricação industrial, catálise heterogênea, que normalmente envolve o uso de catalisadores sólidos colocados em uma mistura de reação líquida ou gasosa, tem muitas aplicações potenciais. Estando em uma fase diferente, catalisadores heterogêneos podem ser facilmente separados de uma mistura de reação. Desta maneira, os catalisadores podem ser efetivamente recuperados e reciclados, sendo bastante ecológico. Além disso, eles exibem atividade muito estável, mesmo sob condições de reação adversas. Apesar de tais vantagens, A catálise heterogênea foi pensada para permitir menos interação e controlabilidade do que a catálise homogênea devido a uma compreensão pobre de seu processo de reação.

Pesquisadores do Centro de Pesquisa de Nanopartículas (liderado pelo Diretor Taeghwan Hyeon) dentro do Instituto de Ciências Básicas (IBS) em colaboração com o Professor Ki Tae Nam na Universidade Nacional de Seul e o Professor Hyungjun Kim em KAIST demonstraram catálise heterogênea semelhante a enzima pela primeira vez . Eles desenvolveram um TiO heterogêneo altamente ativo ₂ fotocatalisador incorporado com muitos átomos de cobre simples. Eles usaram este catalisador para a produção de hidrogênio fotocatalítico, e descobri que o catalisador é tão ativo quanto o Pt-TiO mais ativo e caro ₂ catalisador.

Os pesquisadores estavam empenhados em modelar a estrutura do catalisador de maneira semelhante aos catalisadores mais eficientes e reativos que são as enzimas biológicas. As enzimas compreendem átomos de metal cataliticamente ativos e proteínas circundantes que trabalham em estreita colaboração para manter seus feedbacks movendo-se para frente e para trás. Graças a esta comunicação interna cooperativa, as enzimas podem adaptar rapidamente sua estrutura para ajustar-se de maneira ideal às reações desejadas (geralmente conhecido como modelo de ajuste induzido). Durante a adaptação, as enzimas retornam intermitentemente às suas formas originais e se reformam. Professor Hyeon diz, "Pela primeira vez, descobrimos que um processo de ativação reversível e cooperativo semelhante a uma enzima ocorre mesmo em catalisadores heterogêneos. Esta é uma plataforma sem precedentes que combina vantagens de catalisadores heterogêneos e enzimas biológicas. Embora apresentando a estabilidade robusta de catalisadores heterogêneos, características cooperativas e reversíveis de enzimas adicionam controlabilidade significativa, que no final traz alta atividade para a produção de hidrogênio (o combustível mais eficiente e ideal) a partir de reações fotocatalíticas de divisão de água. "

Enzimas biológicas têm sido consideradas um modelo central para o desenvolvimento de catalisadores artificiais. Eles têm sido utilizados com sucesso no projeto de catalisadores homogêneos para várias reações. Ainda, não houve nenhum relatório sobre catalisadores heterogêneos industrialmente importantes com essas características semelhantes às enzimas devido à falta de compreensão em nível atômico de catalisadores heterogêneos. Este novo estudo demonstra que catalisadores heterogêneos podem funcionar como enzimas, confirmando o princípio fundamental de que a interação cooperativa entre catalisadores atômicos e ambientes adjacentes têm influência significativa nas propriedades gerais do material e na atividade catalítica.

Combinando simulações teóricas e tecnologias de síntese de nanomateriais, os pesquisadores sintetizaram um catalisador heterogêneo semelhante a uma enzima. (Fig. 2) Eles cobriram um TiO de formato redondo ₂ substrato com cobre de um único átomo. Eles embrulharam TiO ₂ e átomos de cobre juntos. O cozimento subsequente estabilizou com sucesso átomos únicos de cobre exclusivamente em locais de titânio. Foi crucial para este estudo projetar catalisadores de átomo único específicos para um local, uma vez que esta estrutura de átomo único imita diretamente a estrutura de enzimas (feitas de íons metálicos de átomo único e proteínas circundantes).

Interessantemente, o átomo único específico do local sintetizado Cu / TiO ₂ os catalisadores passaram por um processo de fotoativação único. Ao absorver a luz, TiO ₂ excita um elétron. O elétron excitado é transferido para um único átomo de cobre por meio de uma simples mudança de estado de oxidação. A transferência de um elétron, por sua vez, volta a envolver o TiO ₂ estruturas (assim como o modelo de ajuste induzido de uma enzima). Este estado ativo então reverte para o estado inicial de repouso conforme um elétron é transferido de volta para o TiO ₂ de um átomo de metal. Na verdade, este mecanismo interativo e reversível foi confirmado com o Cu / TiO branco ₂ rapidamente se transformando em preto sob irradiação de luz, e de volta à sua cor branca inicial quando purgado com ar. Graças a essas características enzimáticas, átomo único Cu / TiO ₂ catalisador transformou mais de 40% da energia da luz em H ₂ , uma atividade catalítica excepcionalmente alta, que é tão ativo quanto o Pt-TiO mais ativo e caro ₂ fotocatalisador. O hidrogênio é conhecido por ser o combustível mais eficiente e ideal porque gera água como o único subproduto.