Kunstigt enzym opdeler vand mere effektivt

Menneskeheden står over for en central udfordring:Den skal klare overgangen til en bæredygtig og kuldioxidneutral energiøkonomi.

Brint betragtes som et lovende alternativ til fossile brændstoffer. Det kan fremstilles af vand ved hjælp af elektricitet. Hvis elektriciteten kommer fra vedvarende kilder, kaldes det grøn brint. Men det ville være endnu mere bæredygtigt, hvis brint kunne produceres direkte med energi fra sollys.

I naturen foregår lysdrevet vandspaltning under fotosyntese i planter. Planter bruger et komplekst molekylært apparat til dette, det såkaldte fotosystem II. At efterligne sit aktive center er en lovende strategi for at realisere bæredygtig produktion af brint. Et hold ledet af professor Frank Würthner ved Institut for Organisk Kemi og Center for Nanosystemkemi ved Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) arbejder på dette.

Vandspaltning er ikke trivielt

Vand (H₂ O) består af et oxygen- og to hydrogenatomer. Det første trin i vandspaltningen er en udfordring:For at frigive brinten skal ilten fjernes fra to vandmolekyler. For at gøre dette er det først nødvendigt at fjerne fire elektroner og fire protoner fra de to vandmolekyler.

Denne oxidative reaktion er ikke triviel. Planter bruger en kompleks struktur til at katalysere denne proces, bestående af en klynge med fire manganatomer, som elektronerne kan sprede sig over. Würthners team har udviklet en lignende løsning inden for deres første gennembrud offentliggjort i tidsskrifterne Nature Chemistry og Energi- og miljøvidenskab i 2016 og 2017, en slags "kunstigt enzym", der kan klare det første trin i vandspaltningen. Denne vandoxidationskatalysator, som består af tre Ruthenium-centre, der interagerer i en makrocyklisk arkitektur, katalyserer med succes den termodynamisk krævende proces med vandoxidation.

Succes med en kunstig lomme

Nu er det lykkedes kemikere ved JMU at få den sofistikerede reaktion til at foregå effektivt på et enkelt rutheniumcenter. I processen har de endda opnået tilsvarende høje katalytiske aktiviteter som i den naturlige model, planters fotosyntetiske apparat.

"Denne succes blev muliggjort, fordi vores ph.d.-studerende Niklas Noll skabte en kunstig lomme omkring Ruthenium-katalysatoren. Heri er vandmolekylerne til den ønskede protonkoblede elektronoverførsel arrangeret foran rutheniumcentret i et præcist defineret arrangement, svarende til hvad sker der i enzymer,« siger Frank Würthner.

JMU-gruppen præsenterer detaljerne i deres nye koncept i tidsskriftet Nature Catalysis . Teamet bestående af Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle og Frank Würthner er overbevist om, at dette princip også er velegnet til at forbedre andre katalytiske processer.

Det langsigtede mål for Würzburg-gruppen er at integrere vandoxidationskatalysatoren i en kunstig enhed, der ved hjælp af sollys spalter vand til ilt og brint. Dette vil tage noget tid, da katalysatoren skal kobles sammen med andre komponenter for at danne et fungerende samlet system - med lys-høstende farvestoffer og med såkaldte reduktionskatalysatorer. + Udforsk yderligere

Lys i stedet for elektricitet:En ny slags 'grøn brint'