Человечество столкнулось с главной задачей: оно должно справиться с переходом к устойчивой и нейтральной к выбросам углекислого газа энергетической экономике.
Водород считается многообещающей альтернативой ископаемому топливу. Его можно получить из воды с помощью электричества. Если электричество поступает из возобновляемых источников , его называют зеленым водородом. Но было бы еще более устойчиво, если бы водород можно было производить непосредственно с помощью энергии солнечного света.
В природе расщепление воды под действием света происходит во время фотосинтеза в растениях. Растения используют для этого сложный молекулярный аппарат, так называемую фотосистему II. Имитация его активного центра является многообещающей стратегией для реализации устойчивого производства водорода. Над этим работает группа под руководством профессора Франка Вюртнера из Института органической химии и Центра химии наносистем в Университете Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU).
Разделение воды не тривиально
Вода (H 2 O) состоит из одного кислорода и двух атомов водорода. Первый этап расщепления воды представляет собой сложную задачу: чтобы высвободить водород, необходимо удалить кислород из двух молекул воды. Для этого сначала необходимо удалить четыре электрона и четыре протона из двух молекул воды.
Эта окислительная реакция нетривиальна. Растения используют сложную структуру для катализа этого процесса, состоящую из кластера с четырьмя атомами марганца, по которому могут распространяться электроны. Команда Вюртнера разработала аналогичное решение в рамках своего первого открытия, опубликованного в журналах Nature Chemistry и Energy & Environmental Science в 2016 и 2017 годах, своего рода «искусственный фермент», который может управлять первым этапом расщепления воды . Этот катализатор окисления воды, состоящий из трех центров рутения, взаимодействующих в макроциклической архитектуре, успешно катализирует термодинамически сложный процесс окисления воды.
Успех с искусственным карманом
Теперь химикам JMU удалось эффективно провести сложную реакцию на одном рутениевом центре. При этом они даже достигли такой же высокой каталитической активности, как и в естественной модели фотосинтетического аппарата растений.
«Этот успех стал возможен благодаря тому, что наш докторант Никлас Нолл создал искусственный карман вокруг рутениевого катализатора. В нем молекулы воды для желаемого протонно-связанного переноса электронов располагаются перед рутениевым центром в точно определенном порядке, подобно что происходит в ферментах», — говорит Франк Вюртнер.
Группа JMU представляет детали своей новой концепции в журнале Nature Catalysis. Команда, состоящая из Никласа Нолля, Аны-Марии Краузе, Флориана Бойерле и Франка Вюртнера, убеждена, что этот принцип также подходит для улучшения других каталитических процессов.
Долгосрочная цель группы из Вюрцбурга — интегрировать катализатор окисления воды в искусственное устройство, расщепляющее воду на кислород и водород с помощью солнечного света. Это займет некоторое время, так как катализатор должен быть соединен с другими компонентами, чтобы сформировать функционирующую общую систему — со светособирающими красителями и с так называемыми восстановительными катализаторами.
