В очередной раз взяв идею дизайна металлокомплекса у природы, исследователи разработали катализатор, производительность которого в реакции выделения водорода в 10 раз выше, чем у его предшественников-ферментов.

Дешевый никелевый катализатор может стать основой для промышленного производства водорода, что является уверенным шагом на пути к водородной энергетике.

Никельсодержащий катализатор сможет заменить более дорогие катализаторы образования водорода на основе комплексов платины. (Рисунок из Science, 2011, 333, 863)

В электрохимических ячейках молекулярный водород образуется на платиновых электродах, однако платина представляет собой дорогой и редкий металл. Вместе с тем эволюция обеспечила образование ферментов-гидрогеназ, в активных центрах которых работают более распространенные химические элементы, например, железо.

Даниэль ДюБуа (Daniel Du Bois) из Тихоокеанской Северо-западной национальной лаборатории (PNNL)смоделировал активный центр ферментов-гидрогеназ, получив никельсодержащий комплекс, в котором металлоцентр окружен аминными лигандами. Примерно аналогичным строением характеризуются и активные центры гидрогеназ, также существует предположение о том, что гидрогеназы работают как «протонные реле», перемещая протоны туда, где они могут восстановиться до молекулы водорода. Ранее исследователи из группы ДюБуа получали комплексы, в которых с металлоцентром было связано несколько аминов, которые, после протонирования могут изменить конформацию, изогнуться и переместить протоны, куда следует. Однако было обнаружено, что если происходит протонирование одного из аминов, другой из аминов также координируется с этим протоном, образуя систему, не позволяющую доставлять протоны.

Уменьшение количества аминов и размещение их в транс-положении друг к другу привело к образованию комплекса, в котором один протон уже не координировался с двумя аминами сразу. Одна молекула нового комплекса может производить водород со скоростью 106000 молекул в секунду – это в 10 раз превосходит возможности ферментов-гидрогеназ.

Крис Пикетт (Chris Pickett), специалист по катализаторам процессов выделения водорода, отмечает из Университета Восточной Англии, отмечает, что катализатор ДюБуа отличается существенно большей производительностью по сравнению со всеми известными к настоящему времени катализаторами. Однако Пикетт считает, что новая система пока еще далека от коммерциализации – слишком большое количество электроэнергии расходуется впустую, выделяясь в виде тепла.

Также важен растворитель, в котором проводится реакция. С точки зрения промышленного производства, идеальным растворителем для работы новой системы является вода, однако работу катализатора первоначально проверяли в сухом ацетонитриле, в котором был растворен протонированный диметилформамид. В этих условиях одна молекула катализатора обеспечивала образование 33000 молекул водорода в секунду, однако при введении в систему небольших количеств воды эффективность катализатора возрастала примерно втрое. Исследователи предполагают, что вода играет роль среды для переноса протонов, ускоряя переход протона с ДМФА на катализатор.