Metallische Nanokatalysatoren imitieren die Struktur von Enzymen.

Ein internationales Forscherteam hat bestimmte strukturelle Eigenschaften natürlicher Enzyme, die eine besonders hohe katalytische Aktivität gewährleisten, auf metallische Nanopartikel übertragen. Die gewünschte chemische Reaktion fand also nicht wie üblich an der Partikeloberfläche statt, sondern in Kanälen innerhalb der Metallteilchen – und mit dreimal höherer katalytischer Aktivität. Ein Team der University of New South Wales, Australien, und der Ruhr-Universität Bochum, Deutschland, berichtete über diese Nanozyme im Journal of the American Chemical Society, das am 23. September 2018 online veröffentlicht wurde.

Bei Enzymen befinden sich die aktiven Zentren, in denen die chemische Reaktion stattfindet, im Inneren. Die reagierenden Substanzen müssen durch einen Kanal von der umgebenden Lösung zum aktiven Zentrum gelangen, wo die räumliche Struktur besonders günstige Reaktionsbedingungen bietet. „Es wird beispielsweise davon ausgegangen, dass in den Kanälen ein lokal veränderter pH-Wert vorherrscht und dass die elektronische Umgebung in den aktiven Zentren auch für die Effizienz natürlicher Enzyme verantwortlich ist“, sagt Professor Wolfgang Schuhmann, Leiter des Bochumer Zentrums für Elektrochemie.

Kanäle, die aus Nickel-Platin-Partikeln hergestellt werden.

Um die Enzymstrukturen künstlich nachzuahmen, produzierten die Forscher Partikel aus Nickel und Platin mit einem Durchmesser von etwa zehn Nanometern. Anschließend entfernten sie das Nickel durch chemisches Ätzen, wodurch Kanäle gebildet wurden. Im letzten Schritt deaktivierten sie die aktiven Zentren auf der Partikeloberfläche. „So konnten wir sicherstellen, dass nur die aktiven Zentren in den Kanälen an der Reaktion teilnahmen“, erklärt Patrick Wilde, Doktorand am Center for Electrochemical Sciences. Die Forscher verglichen die katalytische Aktivität der so erzeugten Partikel mit der Aktivität konventioneller Partikel mit aktiven Zentren an der Oberfläche.

Für den Test nutzte das Team die Sauerstoffreduktionsreaktion, die unter anderem die Grundlage für den Betrieb von Brennstoffzellen bildet. Aktive Zentren am Ende der Kanäle katalysierten die Reaktion dreimal effizienter als aktive Zentren auf der Partikeloberfläche.

„Die Ergebnisse zeigen das enorme Potenzial von Nanozymen“, resümiert Dr. Corina Andronescu, Gruppenleiterin am Center for Electrochemical Sciences. Nun wollen die Forscher das Konzept auf andere Reaktionen wie die elektrokatalytische CO2-Reduktion ausdehnen und die Prinzipien der erhöhten Aktivität genauer untersuchen. „Wir wollen die Funktionsweise von Enzymen in Zukunft noch besser nachahmen können“, ergänzt Schuhmann. „Letztendlich hoffen wir, dass das Konzept zu industriellen Anwendungen beitragen wird, um Energieumwandlungsprozesse mit Strom aus erneuerbaren Quellen effizienter zu gestalten.“

Mehr Informationen:
Tania M. Benedetti et al. Elektrokatalytische Nanopartikel, die die dreidimensionale geometrische Architektur von Enzymen nachahmen: Nanozyme, Journal of the American Chemical Society (2018). DOI: 10.1021/jacs.8b08664

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