Требования к катализаторам сложно согласоватьЧтобы быть пригодными для промышленного применения, катализаторы должны быть эффективными, стабильными и доступными; кроме того, они должны быть адаптированы для одной конкретной химической реакции. «Объединение всех этих требований в одной молекуле — серьезная задача, — говорит д-р Николас Плюмер из химического факультета Рурского университета в Бохуме. Однако новый гидрогель, в который встроены катализаторы, может значительно упростить разработку катализаторов топливных элементов в будущем. Чтобы изучить эту возможность, исследователи из Бохума начали совместный проект с коллегами из Института химического преобразования энергии Макса Планка в Мюльхейме, а также из Университета Экс-Марселя и Национального центра научных исследований (CNRS) во Франции.
Гидрогель действует как растворитель и как защитная средаДля своих экспериментов немецкая группа использовала фермент гидрогеназу из зеленой водоросли Chlamydomonas rheinhardtii; он расщепляет водород на протоны и электроны. Обычно даже следовые количества кислорода вызывают необратимые повреждения этой биомолекулы. Однако исследователи включили его в гидрогель, который выполняет две функции: он действует как растворитель, гарантируя, что все партнеры реакции достигают фермента быстро и легко.
В то же время он обеспечивает защитную среду, в которой кислород не может проникнуть к ферменту, даже если он присутствует в относительно высоких концентрациях. Уловка: активность гидрогеназы приводит к образованию электронов; они блуждают в гидрогеле и передаются кислороду, превращая его в безвредную форму, а именно в воду.
В будущем конструкция катализатора может значительно упроститься.Используя моделирование и эксперименты, немецко-французская группа продемонстрировала еще одно важное свойство гидрогелей. Активность многих катализаторов со временем снижается из-за воздействия дезактивирующих молекул.
Некоторые из них можно снова сделать функциональными с помощью специальных процессов реактивации. Примечательно, однако, что гидрогель защищает даже те катализаторы, для которых не существует процесса реактивации. «В будущем нам больше не придется обращать внимание на надежность или подходящие процессы реактивации при разработке катализаторов для технических применений», — объясняет Олаф Рюдигер, химик из Института химического преобразования энергии Макса Планка. «Мы можем сосредоточиться исключительно на максимальном увеличении активности катализатора. Это в значительной степени упростит процесс разработки и откроет новые возможности для производства топливных элементов».
Немецкий исследовательский фонд профинансировал проект в рамках кластера передового опыта RESOLV (EXC 1069). Французский подпроект был реализован благодаря поддержке проекта A * MIDEX «MicrobioE» (№ ANR-11-IDEX-0001-02), финансируемого программой французского правительства «Investissements d’Avenir».