과학자들은 살아있는 효소에 의해 영감을받은 인공 촉매를 만든다.
모든 생명체는 생명에 필수적인 생화학 반응 속도를 높이는 효소 (분자)에 달려 있습니다.
과학자들은 수십 년 동안 천연 물질에 필적하는 성능으로 산업계에서 중요한 화학 물질과 연료를 추출 할 수있는 인공 효소 를 만들려고 노력해 왔습니다 .
스탠포드 대학교 (Stanford University)와 SLAC National Accelerator Laboratory의 연구원들은 살아있는 유기체에서 효소가하는 방식과 매우 유사한 화학 물질을 생성하는 합성 촉매를 개발했습니다. Nature Catalysis 의 8 월 5 일자에 발표 된 연구에서, 연구원들은이 발견으로 더 적은 에너지와 저렴한 비용으로 메탄올을 생산할 수있는 산업용 촉매 를 만들 수 있다고 밝혔다. 메탄올은 다양한 용도로 사용되며, 기존 가솔린보다 배기 가스가 적은 연료로 사용하기위한 수요가 증가하고 있습니다.
"우리는 자연에서 영감을 얻었습니다."라고 스탠포드 대학의 화학 공학 조교수 인 Matteo Cargnello는 말했다. "우리는 유용한 화합물을 만들기 위해 인공 촉매를 사용하여 실험실에서 천연 효소의 기능을 모방하고 싶었습니다."
실험을 위해 연구진은 특별한 촉매 특성을 지닌 다공성 폴리머 층에 삽입 된 귀금속 인 팔라듐 나노 결정으로 만들어진 촉매를 설계했다. 자연에서 발견되는 대부분의 단백질 효소에는 아연과 철과 같은 미량 금속이 핵심에 포함되어 있습니다.
연구자들은 표준 및 기술 연구소 (National Institute of Standard and Technology)의 공동 저자 인 앤드류 헤칭 (Andrew Herzing)의 전자 현미경 이미지를 사용하여 촉매에서 미량의 팔라듐을 관찰 할 수있었습니다.
모델 반응
"우리 모델 화학 반응에 집중 : 독성 변환 탄소 에 산소 및 일산화탄소를 이산화탄소 (CO2),"박사 상기 Andrew Riscoe, 연구 책임자. "우리의 목표는 반응 속도를 높이고 이산화탄소 생성 방식을 제어함으로써 인공 촉매가 효소처럼 기능 할 수 있는지 확인하는 것이 었습니다."
이를 확인하기 위해 Riscoe는 일산화탄소와 산소 가스가 연속적으로 흐르는 반응기 튜브에 촉매를 넣었습니다. 튜브가 약 섭씨 150도 (화씨 302도)로 가열되면, 촉매는 원하는 생성물 인 이산화탄소를 생성하기 시작했다.
SLAC의 Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL)의 고 에너지 X- 레이는 촉매에 효소와 유사한 특성이 있음을 밝혀 냈습니다. 촉매 내부의 팔라듐 나노 결정은 산소와 일산화탄소와 지속적으로 반응하여 이산화탄소를 생성했습니다. 그리고 새로 형성된 이산화탄소 분자 중 일부는 나노 결정에서 빠져 나감에 따라 외부 중합체 층에 갇히게되었습니다.
스탠포드 천연 가스 이니셔티브 (NGI)의 자회사 인 카그 넬로는“X- 레이는 일단 폴리머 층이 CO2로 채워지면 반응이 멈 췄음을 보여 주었다. "효소에서 사용하는 것과 같은 전략이기 때문에 이것은 중요하다. 효소가 너무 많은 제품을 생산할 때, 더 이상 제품이 필요하지 않기 때문에 작동을 멈춘다. 우리는 또한 이러한 접근법은 많은 촉매 분야에 영향을 줄 수있다. "
연구 공동 저자 인 Alexey Boubnov (스탠포드 박사후 과정 학자)와 SLAC 과학자 Simon Bare와 Adam Hoffman이 X-ray 영상을 수행했습니다.
메탄올 만들기
이산화탄소 실험의 성공으로 Cargnello와 그의 동료들은 천연 가스의 주성분 인 메탄을 섬유, 플라스틱 및 페인트에 널리 사용되는 화학 물질 인 메탄올로 변환하는 데 관심을 돌 렸습니다. 메탄올은 또한 가솔린 연료 대신 저렴하고 깨끗한 대안으로 선전되었다.
Cargnello는“저온에서 메탄을 메탄올로 전환하는 능력은 촉매의 성배로 여겨진다”고 말했다. "우리의 장기적인 목표는 특정 미생물이 메탄을 대사하는 데 사용 하는 천연 효소 인 메탄 모노 옥소게나 제처럼 행동하는 촉매를 만드는 것입니다 ."
오늘날 대부분의 메탄올은 천연 가스를 약 1,000C (1,800F)의 온도로 가열하는 2 단계 공정으로 생산됩니다. 그러나이 에너지 집약적 인 과정은 지구 기후 변화에 기여하는 강력한 온실 가스 인 이산화탄소를 대량으로 배출합니다.
" 직접적으로 메탄을 메탄올로 전환시키는 인공 촉매 는 훨씬 낮은 온도를 요구하고 훨씬 적은 양의 이산화탄소를 배출합니다."라고 Riscoe는 설명했다. "이상적으로, 우리는 또한 화상을 입기 전에 메탄올 을 잡아 두는 중합체 층을 설계함으로써 반응 생성물을 조절할 수 있습니다 ."
미래의 효소
스탠포드의 SUNCAT 인터페이스 과학 및 촉매 센터와 제휴 한 Cargnello는“이번 연구에서 우리는 효소 활동의 전형적인 특징을 가진 고분자와 금속 나노 결정으로 만들어진 하이브리드 물질을 제조 할 수 있음을 보여 주었다. 흥미로운 부분은 우리가 많은 시스템에 이러한 물질을 적용 할 수있어 촉매 과정의 세부 사항을 더 잘 이해하고 인공 효소에 한 걸음 더 가까이 다가 갈 수 있다는 것입니다. "