氧氣是能量轉(zhuǎn)化生物催化劑的最大敵人。保護(hù)膜可以屏蔽它們-但只能添加其他成分：碘化物鹽。

與理論預(yù)測(cè)相反，即使在保護(hù)膜下，氧氣也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)使生物催化劑失活，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。波鴻魯爾大學(xué)(RUB)的Resolv卓越集群研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了以下原因：過(guò)氧化氫在保護(hù)膜上形成。向電解質(zhì)中添加碘化物鹽可以防止這種情況的發(fā)生，并大大延長(zhǎng)催化劑的壽命。來(lái)自Resolv的NicolasPlumeré教授，來(lái)自萊布尼茲分析科學(xué)研究院的ErikFreier博士和多特蒙德的馬克斯·普朗克化學(xué)能轉(zhuǎn)化研究所的WolfgangLubitz教授組成的團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》中報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。

在幾秒鐘內(nèi)停用

生物和生物啟發(fā)的催化劑種類(lèi)繁多，其催化性能接近貴金屬催化劑。然而，它們并未廣泛用于能量轉(zhuǎn)換過(guò)程。其原因是它們的不穩(wěn)定。NicolasPlumeré解釋說(shuō)：“與可持續(xù)能源系統(tǒng)相關(guān)的一些活性最高的小分子轉(zhuǎn)化催化劑對(duì)氧氣是如此敏感，以至于它們?cè)诮佑|氧氣后幾秒鐘內(nèi)就會(huì)完全失活。”

該研究小組最近發(fā)現(xiàn)，具有氧化還原活性的薄膜可以保護(hù)受生物啟發(fā)的生物甚至是諸如氫酶的生物催化劑。理論模型預(yù)測(cè)，對(duì)氧氣的保護(hù)應(yīng)無(wú)限期地持續(xù)。但是，在實(shí)驗(yàn)中，這種保護(hù)到目前為止僅有效了幾個(gè)小時(shí)。“這與我們的理論計(jì)算相矛盾，即使考慮到相同催化劑在無(wú)氧環(huán)境中的壽命也無(wú)法解釋?zhuān)盤(pán)lumeré說(shuō)。后者長(zhǎng)達(dá)六個(gè)星期且營(yíng)業(yè)額不變。

方法的組合探索問(wèn)題

這導(dǎo)致研究人員得出結(jié)論，要么對(duì)氧氣的保護(hù)機(jī)制尚未了解，要么除了被氧氣鈍化外，還會(huì)發(fā)生其他有害過(guò)程。為了對(duì)此進(jìn)行調(diào)查，他們結(jié)合了多種方法，使他們能夠詳細(xì)檢查受保護(hù)層中發(fā)生的情況。由ErikFreier在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的共聚焦熒光顯微鏡和相干的抗Stokes拉曼散射相結(jié)合，以及用于分析保護(hù)基質(zhì)的電化學(xué)分析表明：保護(hù)過(guò)程導(dǎo)致過(guò)氧化氫的積累，從而促進(jìn)了對(duì)催化膜的破壞。

研究人員表明，即使碘鹽暴露在高氧氣濃度下，以恒定的營(yíng)業(yè)額，過(guò)氧化氫與碘化物鹽的分解也會(huì)延長(zhǎng)用于氫氧化的加氫酶的半衰期，直至長(zhǎng)達(dá)一周。“總的來(lái)說(shuō)，我們的數(shù)據(jù)證實(shí)了氧化還原膜使對(duì)氧敏感的催化劑完全不受氧直接失活的理論，”P(pán)lumeré總結(jié)道。“但是，重要的是還要抑制過(guò)氧化氫的產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)對(duì)氧化應(yīng)激的完全保護(hù)。”

研究人員說(shuō)：“我們的工作表明，向電解質(zhì)中添加碘鹽的簡(jiǎn)單策略足以顯著降低生物催化劑的失活率。”他們認(rèn)為，這將使其他電催化過(guò)程在實(shí)際應(yīng)用中得以廣泛實(shí)施。這也包括能量轉(zhuǎn)換過(guò)程，例如通過(guò)減少二氧化碳產(chǎn)生太陽(yáng)能燃料以及精細(xì)或堿性化學(xué)物質(zhì)(例如氨)的電合成。