Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign projetaram uma molécula sintética que imita a reação química de produção de gás hidrogênio realiza pela enzima biológica conhecida como níquel-ferro hidrogenase. A descoberta pode ser essencial para a produção de hidrogênio voltado para uma economia baseada em energia renovável.

Atualmente, o hidrogênio industrial é produzido pela separação de moléculas de gás hidrogênio de átomos de oxigênio na água usando um processo chamado eletrólise. Para impulsionar essa reação química na indústria, a platina metálica é usada como catalisador nos cátodos que direcionam a reação. Porém, os estudos demonstraram que o custo e a raridade da platina tornam essa produção de hidrogênio pouco atraente à medida que o mundo avança em direção a fontes de energias limpas. Em contrapartida, a enzima níquel-ferro hidrogenase produz hidrogênio usando metais abundantes em seu núcleo, afirmou o professor de Química e líder da pesquisa, Liviu Mirica, com o estudante de pós-graduação Sagnik Chakrabarti. “O níquel no núcleo da enzima natural produz hidrogênio reduzindo prótons na água”, disse Chakrabarti. “Durante o processo catalítico, o centro de níquel passa por intermediários paramagnéticos, o que significa que os intermediários têm um elétron desemparelhado – o que os torna extremamente de curta duração”.

Os químicos sintéticos fizeram compostos de níquel que produzem hidrogênio por mais de uma década, disse Mirica., mas alguns desses compostos apesar de eficientes, na produção de hidrogênio, opera por meio de intermediários que não são paramagnéticos. “Os pesquisadores estão tentando imitar exatamente o que a natureza faz porque é eficiente, e maximizar a eficiência é um desafio importante a ser superado ao projetar fontes de energia”, disse Mirica. “Ser capaz de reproduzir as etapas intermediárias paramagnéticas que ocorrem na enzima natural é o que nosso grupo está tentando alcançar – aumentar a eficiência e imitar a natureza”.

Para chegar a esse resultado, o grupo de pesquisa projetou uma molécula orgânica chamada ligante que contém átomos doadores de elétrons, como nitrogênio e enxofre, e pode manter o níquel no lugar e apoiar os dois estados paramagnéticos relevantes que produzem hidrogênio. O principal elemento de design que diferencia essa molécula de outros catalisadores é a presença de uma ligação carbono-hidrogênio perto do centro de níquel que é quebrada e reformada durante a catálise. Isso foi crucial para estabilizar os estados paramagnéticos mencionados acima. “Uma das principais conclusões do nosso trabalho é que, usando o ligante especialmente projetado da maneira que fizemos, unimos com sucesso ideias de dois campos da química inorgânica – química bioinorgânica e organometálica – para fazer complexos de níquel que se comportam de maneira semelhante ao ativo local de uma das enzimas mais belas e complicadas da natureza”, disse Chakrabarti.

O estudo teve ainda a participação dos ex-pesquisadores de Illinois Soumalya Sinha, Giang N. Tran e Hanah Na, que contribuíram para este estudo. A National Science Foundation apoiou esta pesquisa.

Pesquisa com enzina de níquel-ferro hidrogenase pode impulsionar setor

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