科学家们在活酶的启发下创造了人工催化剂

所有生物都依赖于酶——加速生命所必需的生化反应的分子。

科学家们花了几十年的时间试图创造出能够以工业规模生产重要化学品和燃料的人工酶，其性能可与天然酶相媲美。

斯坦福大学和 SLAC 国家加速器实验室的研究人员开发了一种合成催化剂，其产生化学物质的方式与酶在生物体中的作用非常相似。在 8 月 5 日的Nature Catalysis杂志上发表的一项研究中，研究人员表示，他们的发现可能会导致工业催化剂能够以更少的能源和更低的成本生产甲醇。甲醇具有多种应用，并且越来越需要将其用作排放量低于传统汽油的燃料。

“我们从大自然中汲取灵感，”资深作者、斯坦福大学化学工程助理教授 Matteo Cargnello 说。“我们想在实验室中模拟天然酶的功能，使用人工催化剂来制造有用的化合物。”

在实验中，研究人员设计了一种催化剂，由钯纳米晶体制成，钯是一种贵金属，嵌入具有特殊催化性能的多孔聚合物层中。自然界中发现的大多数蛋白质酶的核心也含有微量金属，如锌和铁。

研究人员能够通过美国国家标准与技术研究所的合著者 Andrew Herzing 的电子显微镜图像观察到催化剂中的痕量钯。

模型反应

“我们专注于一种模型化学反应：将有毒的一氧化碳和氧气转化为二氧化碳(CO2)，”该研究的主要作者、博士生 Andrew Riscoe 说。“我们的目标是通过加速反应和控制 CO2的产生方式来观察人工催化剂是否会像酶一样发挥作用。”

为了找出答案，Riscoe 将催化剂放在反应器管中，一氧化碳和氧气连续流动。当管子被加热到大约 150 摄氏度(302 华氏度)时，催化剂开始产生所需的产品二氧化碳。

SLAC 斯坦福同步辐射光源 (SSRL) 的高能 X 射线显示，该催化剂具有与酶相似的特性：催化剂内的钯纳米晶体不断与氧气和一氧化碳反应生成二氧化碳。一些新形成的二氧化碳分子在从纳米晶体中逸出时被困在外层聚合物层中。

“X 射线显示，一旦聚合物层充满了 CO2，​​反应就会停止，”斯坦福天然气倡议 (NGI) 的附属机构 Cargnello 说。“这很重要，因为它与酶使用的策略相同。当酶产生过多的产品时，它会停止工作，因为不再需要该产品。我们表明，我们还可以通过控制来调节 CO2的产生聚合物层的化学成分。这种方法可能会影响许多催化领域。

X 射线成像由研究合著者、斯坦福博士后学者 Alexey Boubnov 和 SLAC 科学家 Simon Bare 和 Adam Hoffman 进行。

制造甲醇

随着二氧化碳实验的成功，Cargnello 和他的同事们将注意力转向将天然气的主要成分甲烷转化为甲醇，甲醇是一种广泛用于纺织品、塑料和油漆的化学品。甲醇也被吹捧为一种更便宜、更清洁的汽油燃料替代品。

“在低温下将甲烷转化为甲醇的能力被认为是催化的圣杯，”Cargnello 说。“我们的长期目标是制造一种催化剂，其行为类似于甲烷单氧合酶，一种某些微生物用来代谢甲烷的天然酶。”

今天的大多数甲醇是通过两步工艺生产的，包括将天然气加热到大约 1,000 C (1,800 F) 的温度。但这个能源密集型过程会排放大量二氧化碳，这是一种导致全球气候变化的强效温室气体。

“将甲烷直接转化为甲醇的人工催化剂需要的温度要低得多，并且排放的 CO2也少得多，”Riscoe 解释说。“理想情况下，我们还可以通过设计聚合物层来控制反应产物，在甲醇燃烧之前将其捕获。”

未来的酶

“在这项工作中，我们证明了我们可以制备由聚合物和金属纳米晶体制成的混合材料，这些材料具有某些典型的酶活性特征，”同时隶属于斯坦福大学 SUNCAT 界面科学和催化中心的 Cargnello 说。“令人兴奋的是，我们可以将这些材料应用于许多系统，帮助我们更好地了解催化过程的细节，让我们离人工酶更近一步。”

其他合著者包括斯坦福大学博士生 Cody Wrasman 以及高中实习生 Aditya Menon 和 Maria Vargas，并得到了斯坦福大学提高科学与工程 (RISE) 计划的支持。

研究资金由 NGI 的种子基金提供，这是地球、能源与环境科学学院(斯坦福地球)和 Precourt 能源研究所之间的合作项目。斯坦福大学工程学院的 Terman Faculty Fellowship 和美国国家科学基金会的研究生研究奖学金计划提供了额外的支持。SSRL 的工作资金由美国能源部科学办公室、基础能源科学办公室提供。