Các nhà khoa học tạo ra chất xúc tác nhân tạo lấy cảm hứng từ các enzyme sống

Đăng vào 23/08/2019

Tất cả sinh vật đều sống phụ thuộc vào enzyme - phân tử tăng tốc độ phản ứng sinh hóa cần cho sự sống. Trong nhiều thập kỷ qua, các nhà khoa học đã cố gắng tạo ra các enzyme nhân tạo dùng để sản xuất hóa chất và nhiên liệu quan trọng ở quy mô công nghiệp với hiệu suất cạnh tranh với các enzyme trong tự nhiên.

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Stanford và Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC đã phát triển được một chất xúc tác tổng hợp sản sinh hóa chất giống như cách các enzyme làm trong những sinh vật sống. Phát hiện nghiên cứu có thể dẫn đến sự ra đời của các chất xúc tác công nghiệp có khả năng sản xuất metanol nhưng chỉ sử dụng ít năng lượng và với chi phí thấp hơn. Methanol có nhiều ứng dụng khác nhau và nhu cầu sử dụng methanol làm nhiên liệu đang gia tăng vì lượng khí phát thải thấp hơn so với xăng thông thường.

Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã tạo ra chất xúc tác từ tinh thể nano palađi, kim loại quý, được đưa vào trong những lớp polyme xốp với các đặc tính xúc tác đặc biệt. Hầu hết enzyme protein trong tự nhiên đều có sự xuất hiện của các kim loại như kẽm và sắt, được tìm thấy trong lõi của chúng. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy dấu vết của palađi trong chất xúc tác của chúng thông qua hình ảnh hiển vi điện tử.

Phản ứng mẫu
"Chúng tôi đã tập trung vào một phản ứng hóa học kiểu mẫu: chuyển đổi CO và oxy độc hại thành CO2", nghiên cứu sinh Andrew Riscoe, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Mục tiêu của chúng tôi là xem chất xúc tác nhân tạo có hoạt động giống như enzyme hay không bằng cách tăng tốc độ phản ứng và kiểm soát cách CO2 được sản sinh".

Để tìm hiểu, Riscoe đã đặt chất xúc tác vào ống phản ứng có dòng chảy liên tục của khí CO và oxy. Khi ống phản ứng được làm nóng đến khoảng 150 độ C, chất xúc tác bắt đầu tạo ra sản phẩm mong muốn là CO2.

Các tia X năng lượng cao từ Nguồn sáng bức xạ Synchrotron Stanford (SSRL) tại SLAC đã cho thấy chất xúc tác có những đặc điểm tương tự như enzyme: Các tinh thể nano palađi bên trong chất xúc tác liên tục phản ứng với oxy và CO để tạo ra CO2. Và một số phân tử CO2 mới được hình thành đã bị mắc kẹt trong các lớp polyme bên ngoài khi chúng thoát ra khỏi các tinh thể nano.

Sản xuất metanol
Sau thành công của thí nghiệm CO2, nhóm nghiên cứu đã chuyển đổi khí mêtan, thành phần chính trong khí thiên nhiên, thành metanol, hóa chất được sử dụng rộng rãi trong vải dệt, nhựa và sơn. Methanol cũng được xem là lựa chọn giá rẻ, sạch hơn cho nhiên liệu xăng.

Hầu hết methanol ngày nay được sản xuất theo quy trình hai bước liên quan đến việc đốt nóng khí thiên nhiên ở mức nhiệt khoảng 100 độ C (180 độ F). Nhưng quy trình tiêu tốn nhiều năng lượng này thải ra khối lượng lớn CO2, khí nhà kính mạnh gây đổi khí hậu toàn cầu.

"Chất xúc tác nhân tạo trực tiếp chuyển đổi khí metan thành metanol, sẽ cần nhiệt độ thấp hơn nhiều và thải ra ít CO2 hơn", Riscoe giải thích. "Lý tưởng nhất, chúng tôi cũng có thể kiểm soát các sản phẩm của phản ứng bằng cách thiết kế các lớp polyme bẫy methanol trước khi nó cháy".

Enzyme tương lai
"Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chứng minh khả năng điều chế vật liệu từ polyme và tinh thể nano kim loại có một số đặc trưng điển hình cho hoạt động của enzyme", PGS. Matteo Cargnello, đồng tác giả nghiên cứu nói. "Điều thú vị là chúng tôi có thể sử dụng những vật liệu này cho nhiều hệ thống, giúp chúng tôi hiểu rõ hơn chi tiết của quá trình xúc tác và đưa chúng tôi tiến một bước gần hơn đến bước sản xuất enzyme nhân tạo”.