¿Y si no hubiera túneles en los Alpes suizos? Cualquiera que intentara atravesarlos tendría que subir y bajar colinas y zigzaguear por las cordilleras. Se ahorra mucha más energía y tiempo al pasar por un túnel que al escalar una montaña. Esto es similar a cómo funcionan los catalizadores:aceleran las reacciones químicas al reducir la energía requerida para alcanzar el estado físico deseado.

En los procesos de fabricación industrial, catálisis heterogénea, que normalmente implica el uso de catalizadores sólidos colocados en una mezcla de reacción líquida o gaseosa, tiene muchas aplicaciones potenciales. Estar en una fase diferente, Los catalizadores heterogéneos se pueden separar fácilmente de una mezcla de reacción. De este modo, los catalizadores pueden recuperarse y reciclarse eficazmente, siendo bastante ecológico. Además, exhiben una actividad muy estable incluso bajo duras condiciones de reacción. A pesar de tales ventajas, Se ha pensado que la catálisis heterogénea permite menos interacción y controlabilidad que la catálisis homogénea debido a una comprensión deficiente de su proceso de reacción.

Investigadores del Centro de Investigación de Nanopartículas (dirigido por el Director Taeghwan Hyeon) dentro del Instituto de Ciencias Básicas (IBS) en colaboración con el profesor Ki Tae Nam de la Universidad Nacional de Seúl y el profesor Hyungjun Kim de KAIST demostraron por primera vez una catálisis heterogénea similar a una enzima. . Desarrollaron un TiO heterogéneo altamente activo ₂ fotocatalizador incorporado con muchos átomos de cobre individuales. Utilizaron este catalizador para la producción de hidrógeno fotocatalítico, y descubrió que el catalizador es tan activo como el Pt-TiO más activo y caro ₂ Catalizador.

Los investigadores se comprometieron a modelar la estructura del catalizador de manera similar a los catalizadores más eficientes y reactivos que son las enzimas biológicas. Las enzimas comprenden átomos de metales catalíticamente activos y proteínas circundantes que trabajan muy de cerca para mantener su retroalimentación moviéndose hacia adelante y hacia atrás. Gracias a esta comunicación interna cooperativa, las enzimas pueden adaptar rápidamente su estructura para adaptarse de manera óptima a las reacciones deseadas (generalmente conocido como modelo de ajuste inducido). Durante la adaptación, las enzimas vuelven intermitentemente a sus formas originales y se reforman. El profesor Hyeon dice:"Por primera vez, Encontramos que un proceso de activación cooperativo y reversible similar a una enzima ocurre incluso en catalizadores heterogéneos. Esta es una plataforma sin precedentes que fusiona las ventajas de los catalizadores heterogéneos y las enzimas biológicas. Al tiempo que presenta la robusta estabilidad de los catalizadores heterogéneos, Las características cooperativas y reversibles de las enzimas añaden una capacidad de control significativa, que al final aporta una alta actividad para la producción de hidrógeno (el combustible más eficiente e ideal) a partir de reacciones fotocatalíticas de división del agua ".

Las enzimas biológicas se han considerado un modelo central para el desarrollo de catalizadores artificiales. Se han utilizado con éxito en el diseño de catalizadores homogéneos para diversas reacciones. Todavía, No se había informado sobre catalizadores heterogéneos de importancia industrial con estas características similares a las de las enzimas debido a la falta de comprensión a nivel atómico de los catalizadores heterogéneos. Este nuevo estudio demuestra que los catalizadores heterogéneos pueden funcionar como enzimas, confirmando el principio fundamental de que la interacción cooperativa entre los catalizadores atómicos y los entornos adyacentes tiene una influencia significativa en las propiedades generales del material y la actividad catalítica.

Combinando simulaciones teóricas y tecnologías de síntesis de nanomateriales, los investigadores sintetizaron un catalizador heterogéneo similar a una enzima. (Fig.2) Cubrieron un TiO de forma redonda ₂ sustrato con cobre de un solo átomo. Envolvieron TiO ₂ y átomos de cobre juntos. El horneado posterior estabilizó con éxito átomos individuales de cobre exclusivamente en sitios de titanio. Fue crucial para este estudio diseñar catalizadores de un solo átomo específicos para un sitio, ya que esta estructura de un solo átomo imita directamente la estructura de las enzimas (hechas de iones metálicos de un solo átomo y proteínas circundantes).

Curiosamente, el átomo único Cu / TiO sintetizado específico del sitio ₂ Los catalizadores se sometieron a un proceso de fotoactivación único. Al absorber la luz, TiO ₂ excita un electrón. El electrón excitado se transfiere a un solo átomo de cobre mediante un simple cambio de estado de oxidación. La transferencia de un electrón, a su vez, vuelve a cambiar alrededor del TiO. ₂ estructuras (como el modelo de ajuste inducido de una enzima). Este estado activo luego se invierte al estado de reposo inicial cuando un electrón se transfiere de nuevo al TiO. ₂ de un átomo de metal. De hecho, este mecanismo interactivo y reversible fue confirmado con el Cu / TiO blanco ₂ convirtiéndose rápidamente en negro bajo la irradiación de la luz, y vuelve a su color blanco inicial cuando se purga con aire. Gracias a estas características enzimáticas, átomo único Cu / TiO ₂ El catalizador convirtió más del 40% de la energía luminosa en H ₂ , una actividad catalítica excepcionalmente alta, que es tan activo como el Pt-TiO más activo y caro ₂ fotocatalizador. Se sabe que el hidrógeno es el combustible más eficiente e ideal porque genera agua como único subproducto.