Enzymliknande vattenförorganisation framför en Ruthenium-vattenoxidationskatalysator. Kredit:Würthner group / University of Wuerzburg
Mänskligheten står inför en central utmaning:den måste klara omställningen till en hållbar och koldioxidneutral energiekonomi.
Vätgas anses vara ett lovande alternativ till fossila bränslen. Det kan produceras av vatten med hjälp av el. Om elen kommer från förnybara källor kallas det grönt väte. Men det skulle vara ännu mer hållbart om väte kunde produceras direkt med energin från solljus.
I naturen sker ljusdriven vattenklyvning under fotosyntes i växter. Växter använder en komplex molekylär apparat för detta, det så kallade fotosystemet II. Att efterlikna dess aktiva centrum är en lovande strategi för att förverkliga en hållbar produktion av väte. Ett team under ledning av professor Frank Würthner vid Institutet för organisk kemi och Center for Nanosystems Chemistry vid Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) arbetar med detta.
Vattenklyvning är inte trivialt
Vatten (H2 O) består av en syre- och två väteatomer. Det första steget av vattendelning är en utmaning:för att frigöra vätet måste syret avlägsnas från två vattenmolekyler. För att göra detta är det först nödvändigt att ta bort fyra elektroner och fyra protoner från de två vattenmolekylerna.
Denna oxidativa reaktion är inte trivial. Växter använder en komplex struktur för att katalysera denna process, bestående av ett kluster med fyra manganatomer över vilka elektronerna kan spridas. Würthners team har utvecklat en liknande lösning inom sitt första genombrott som publicerades i tidskrifterna Nature Chemistry och Energi- och miljövetenskap 2016 och 2017, ett slags "artificiellt enzym" som kan hantera det första steget av vattenklyvning. Denna vattenoxidationskatalysator, som består av tre Ruthenium-centra som samverkar i en makrocyklisk arkitektur, katalyserar framgångsrikt den termodynamiskt krävande processen med vattenoxidation.
Framgång med en konstgjord ficka
Nu har kemister vid JMU lyckats få den sofistikerade reaktionen att ske effektivt på ett enda ruteniumcenter. Under processen har de till och med uppnått liknande höga katalytiska aktiviteter som i den naturliga modellen, växternas fotosyntesapparat.
"Denna framgång möjliggjordes eftersom vår doktorand Niklas Noll skapade en konstgjord ficka runt Ruthenium-katalysatorn. Däri är vattenmolekylerna för den önskade protonkopplade elektronöverföringen arrangerade framför ruteniumcentret i ett precist definierat arrangemang, liknande vad händer i enzymer", säger Frank Würthner.
JMU-gruppen presenterar detaljerna i sitt nya koncept i tidskriften Nature Catalysis . Teamet bestående av Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle och Frank Würthner är övertygade om att denna princip också är lämplig för att förbättra andra katalytiska processer.
Det långsiktiga målet för Würzburg-gruppen är att integrera vattenoxidationskatalysatorn i en konstgjord anordning som delar vatten till syre och väte med hjälp av solljus. Detta kommer att ta lite tid, eftersom katalysatorn måste kopplas ihop med andra komponenter för att bilda ett fungerande övergripande system – med ljusskördande färgämnen och med så kallade reduktionskatalysatorer. + Utforska vidare
