L'imitation des enzymes biologiques pourrait être la clé de la production d'hydrogène
Une enzyme ancienne pourrait jouer un rôle crucial dans l'évolution du monde vers une économie fondée sur les énergies renouvelables.
Selon des chercheurs, une ancienne enzyme biologique connue sous le nom d'hydrogénase nickel-fer pourrait jouer un rôle clé dans la production d'hydrogène pour une économie énergétique basée sur les énergies renouvelables. L'étude minutieuse de l'enzyme a conduit des chimistes de l'université de l'Illinois Urbana-Champaign à concevoir une molécule synthétique qui imite la réaction chimique de production d'hydrogène gazeux réalisée par l'enzyme. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue Nature Communications.
L'hydrogénase nickel-fer, décrite par les chercheurs comme "l'une des enzymes les plus compliquées et les plus belles de la nature", pourrait jouer un rôle crucial dans l'évolution du monde vers une économie fondée sur les énergies renouvelables.
Graphic courtesy Mirica group
Actuellement, l'hydrogène industriel est généralement produit en séparant les molécules d'hydrogène gazeux des atomes d'oxygène dans l'eau au moyen d'un processus appelé électrolyse. Pour stimuler cette réaction chimique en milieu industriel, le platine est utilisé comme catalyseur dans les cathodes qui dirigent la réaction. Cependant, de nombreuses études ont montré que le coût et la rareté du platine le rendent peu attrayant alors que le monde s'oriente vers des sources d'énergie plus respectueuses de l'environnement.
En revanche, l'enzyme hydrogénase nickel-fer de la nature produit de l'hydrogène en utilisant des métaux terrestres abondants dans son noyau, a déclaré le professeur de chimie Liviu Mirica, qui a dirigé l'étude avec l'étudiant diplômé Sagnik Chakrabarti.
"Le nickel au cœur de l'enzyme naturelle produit de l'hydrogène en réduisant les protons dans l'eau", a déclaré M. Chakrabarti. "Au cours du processus catalytique, le centre du nickel passe par des intermédiaires paramagnétiques, ce qui signifie que les intermédiaires ont un électron non apparié - ce qui les rend extrêmement éphémères."
Les chimistes de synthèse fabriquent des composés de nickel qui produisent de l'hydrogène depuis plus d'une décennie, a déclaré M. Mirica. Si certains de ces composés sont très efficaces pour produire de l'hydrogène, la grande majorité d'entre eux fonctionnent grâce à des intermédiaires qui ne sont pas paramagnétiques.
"Les chercheurs essaient d'imiter exactement ce que fait la nature parce qu'elle est efficace, et maximiser l'efficacité est un défi clé à relever lors de l'ingénierie des sources d'énergie", a déclaré M. Mirica. "Pouvoir reproduire les étapes intermédiaires paramagnétiques qui se produisent dans l'enzyme naturelle est l'objectif de notre groupe : augmenter l'efficacité et imiter la nature.
Pour y parvenir, l'équipe a conçu une molécule organique appelée ligand, qui contient des atomes donneurs d'électrons comme l'azote et le soufre, et qui peut maintenir le nickel en place et supporter les deux états paramagnétiques pertinents qui produisent de l'hydrogène. L'élément clé qui distingue cette molécule des autres catalyseurs est la présence d'une liaison carbone-hydrogène près du centre du nickel, qui est rompue et reformée pendant la catalyse. Cet élément a joué un rôle crucial dans la stabilisation des états paramagnétiques susmentionnés.
"L'un des principaux enseignements de notre travail est qu'en utilisant le ligand spécialement conçu de la manière dont nous l'avons fait, nous avons réussi à réunir des idées provenant de deux domaines de la chimie inorganique - la chimie bioinorganique et la chimie organométallique - pour fabriquer des complexes de nickel qui se comportent de manière similaire au site actif de l'une des enzymes les plus belles et les plus compliquées de la nature", a déclaré M. Chakrabarti.
Selon les chercheurs, plusieurs enzymes inhabituelles ont été découvertes récemment, dont les sites actifs présentent des liaisons métal-carbone. De tels principes de conception dans les complexes synthétiques pourraient permettre de mieux comprendre comment la nature fait de la chimie avec de petites molécules comme l'hydrogène.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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