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Uma antiga enzima biológica conhecida como hidrogenase de níquel-ferro pode desempenhar um papel fundamental na produção de hidrogênio para uma economia de energia baseada em fontes renováveis, disseram os pesquisadores. O estudo cuidadoso da enzima levou os químicos da Universidade de Illinois Urbana-Champaign a projetar uma molécula sintética que imita a reação química de produção de gás hidrogênio realizada pela enzima.
Os pesquisadores relataram suas descobertas na revista Natureza Comunicações.
Atualmente, o hidrogênio industrial é geralmente produzido pela separação de moléculas de gás hidrogênio de átomos de oxigênio na água usando um processo chamado eletrólise. Para impulsionar essa reação química no ambiente industrial, a platina metálica é usada como catalisador nos cátodos que direcionam a reação. No entanto, muitos estudos mostraram que o custo e a raridade da platina a tornam pouco atraente à medida que o mundo avança em direção a fontes de energia mais ecologicamente corretas.
Por outro lado, a enzima hidrogenase de níquel-ferro da natureza produz hidrogênio usando metais abundantes em seu núcleo, disse o professor de química Liviu Mirica, que liderou o estudo 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. Embora alguns desses compostos sejam muito eficientes na produção de hidrogênio, a grande maioria deles 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 conseguir isso, a equipe 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 a o local ativo de uma das enzimas mais belas e complicadas da natureza”, disse Chakrabarti.
No passado recente, várias enzimas incomuns foram encontradas com ligações metal-carbono em seus locais ativos, disseram os pesquisadores. Tais princípios de design em complexos sintéticos podem levar a mais informações sobre como a natureza realiza a química com pequenas moléculas como o hidrogênio.
Os ex-pesquisadores de Illinois Soumalya Sinha, Giang N. Tran e Hanah Na contribuíram para este estudo. A National Science Foundation apoiou esta pesquisa.
Mirica também é afiliada ao programa de neurociência, ao Beckman Institute for Advanced Science and Technology e ao Carle Illinois College of Medicine em Illinois.
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