Новый искусственный фермент расщепляет воду с помощью солнечного света

Ученые из Германии смогли найти способ достижения в реакции расщепления воды столь же высокой каталитической активности, как и в естественной модели фотосинтеза у растений, применив разработанный ими ранее «искусственный фермент». Об этом сообщает портал Nanowerk. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.

Водород считается многообещающей альтернативой ископаемому топливу. Его можно получить из воды с помощью электричества, но наиболее экологичным способом считается производить непосредственное расщепление воды с помощью лишь энергии солнечного света.

В природе подобные реакции расщепления воды происходит во время фотосинтеза в растениях, которые используют для этого сложные молекулярные механизмы. Имитация того же варианта искусственными структурами является многообещающей стратегией для реализации возобновляемого и экологичного производства водорода. В этом направлении уже долго работает исследовательская группа под руководством профессора Франка Вюртнера из Института органической химии и Центра химии наносистем в Университете Юлиуса-Максимилиана в Вюрцбурге (JMU).

Первый этап расщепления воды (на атом кислорода и два атома водорода) представляет собой на практике следующую задачу: для высвобождения водорода необходимо удалить по атому кислорода из двух молекул воды, чтобы образовать устойчивую естественную молекулу О2. Соответственно, этот процесс требует сперва удалить из двух молекул воды четыре электрона и четыре протона.

Растения в природе используют сложную структуру для катализа этого процесса, состоящую из кластера с четырьмя атомами марганца, по которому могут распространяться электроны.

Вюртнер и его коллеги разработали аналогичное решение в рамках своего первого открытия, обнародованного в 2016 и 2017 годах, – своего рода «искусственный фермент», который может управлять первым этапом расщепления воды. Этоткатализатор окисления воды, состоящий из трех центров рутения, взаимодействующих в макроциклической архитектуре, успешно осуществляет сложный процесс окисления воды.

Теперь химикам JMU удалось эффективно провести сложную реакцию в 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 докторант Никлас Нолль 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 тому, как это происходит в природных ферментах», – отметил Франк Вюртнер.

Дальнейшая долгосрочная цель исследователей из JMU – интегрировать свой усовершенствованный катализатор окисления воды в искусственное устройство, расщепляющее воду на кислород и водород с помощью только лишь солнечного света. Это займет некоторое время, так как катализатор должен быть наиболее эффективно сочетаем с другими компонентами, чтобы сформировать функционирующую общую систему – со светособирающими красителями и с так называемыми восстановительными катализаторами.