Искусственный фермент расщепляет воду

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 экологично, если бы водород можно было производить непосредственно с помощью энергии солнечного света.

В природе расщепление воды под воздействием света происходит во время фотосинтеза у растений. Растения используют для этого сложный молекулярный аппарат, так называемую фотосистему II. Имитирование его активного центра — многообещающая стратегия для реализации устойчивого производства водорода. Над этим работает команда под руководством профессора Франка Вюртнера из Института органической химии и Центра химии наносистем Вюрцбургского университета Юлиуса-Максимилиана (JMU).

Расщепление воды – нетривиальная задача

Вода (H₂О) состоит из одного атома 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 оторвать четыре электрона и четыре протона от двух молекул воды.

Эта окислительная реакция нетривиальна. Растения используют сложную структуру для катализа этого процесса, состоящую из кластера с четырьмя атомами марганца, по которым могут распространяться электроны. Команда Вюртнера разработала аналогичное решение в рамках своего первого прорыва, опубликованного в журналах. Природная химия и Энергетика и экология в 2016 и 2017 годах появился своего рода «искусственный фермент», способный управлять первым этапом расщепления воды. Этот катализатор окисления воды, состоящий из трех центров рутения, взаимодействующих по макроциклической архитектуре, успешно катализирует термодинамически сложный процесс окисления воды.

Успех с искусственным карманом

Теперь химикам из JMU удалось заставить сложную реакцию эффективно протекать 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 протон-связанного переноса электронов располагаются перед рутениевым центром в точно определенном порядке, аналогично о том, что происходит с ферментами», — говорит Франк Вюртнер.

Долгосрочная цель группы Вюрцбурга — интегрировать катализатор окисления воды в искусственное устройство, которое с помощью солнечного света расщепляет воду на кислород и водород. Это займет некоторое время, поскольку катализатор должен быть связан с другими компонентами, чтобы сформировать функционирующую общую систему — со светособирающими красителями и с так называемыми катализаторами восстановления.