Künstliches Enzym spaltet Wasser |
Auf dem Weg zur sonnenlichtgetriebenen Produktion von Wasserstoff ist ein Fortschritt gelungen. Ein Team aus der Chemie präsentiert einen enzymähnlichen molekularen Katalysator für die Wasseroxidation. Die Menschheit steht vor einer zentralen Herausforderung: Sie muss den Übergang zu einer nachhaltigen und kohlendioxidneutralen Energiewirtschaft bewältigen.
Wasserstoff gilt als vielversprechende Alternative zu fossilen
Brennstoffen. Er lässt sich unter Einsatz von elektrischem Strom aus
Wasser herstellen. Stammt der Strom aus regenerativen Quellen, spricht
man von grünem Wasserstoff. Noch nachhaltiger wäre es aber, könnte man
Wasserstoff direkt mit der Energie des Sonnenlichts produzieren.
In
der Natur läuft die lichtgetriebene Wasserspaltung bei der
Photosynthese der Pflanzen ab. Diese verwenden dafür einen komplexen
molekularen Apparat, das sogenannte Photosystem II. Dessen aktives
Zentrum nachzuahmen ist eine vielversprechende Strategie, um eine
nachhaltige Produktion von Wasserstoff zu realisieren. Daran arbeitet
ein Team von Professor Frank Würthner am Institut für Organische Chemie
und dem Zentrum für Nanosystemchemie der Julius-Maximilians-Universität
Würzburg (JMU).
Wasserspaltung ist keine banale ReaktionWasser
besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Der erste
Schritt der Wasserspaltung ist eine Herausforderung: Um den Wasserstoff
freizusetzen, muss aus zwei Wassermolekülen der Sauerstoff entfernt
werden. Dafür ist es zunächst nötig, den beiden Wassermolekülen vier
Elektronen und vier Protonen zu entziehen.
Diese oxidative
Reaktion ist nicht banal. Pflanzen nutzen dafür ein komplexes Gebilde
als Katalysator, bestehend aus einem Cluster mit vier Mangan-Atomen,
über die sich die Elektronen verteilen können.
Würthners Team
hatte in einem ersten Durchbruch eine ähnliche Lösung entwickelt, eine
Art „künstliches Enzym“, das den ersten Schritt der Wasserspaltung
erledigen kann. Dieser Wasseroxidations-Katalysator, bestehend aus drei
miteinander agierenden Ruthenium-Zentren innerhalb eines makrozyklischen
Konstrukts, katalysiert erfolgreich den thermodynamisch anspruchsvollen
Prozess der Wasserspaltung. Publiziert wurde das 2016 und 2017 in den
Journalen Nature Chemistry und Energy & Environmental Science.
Zum Erfolg mit einer künstlichen TascheNun
ist es den Chemikerinnen und Chemikern der JMU gelungen, die
anspruchsvolle Reaktion mit einem einzigen Ruthenium-Zentrum effizient
ablaufen zu lassen. Dabei wurden sogar ähnlich hohe katalytische
Aktivitäten wie im natürlichen Vorbild erreicht, dem
Photosyntheseapparat der Pflanzen.
„Möglich wurde dieser Erfolg,
weil unser Doktorand Niklas Noll eine künstliche Tasche um den
Ruthenium-Katalysator geschaffen hat. Darin werden die Wassermoleküle
für den gewünschten protonengekoppelten Elektronentransfer vor dem
Ruthenium-Zentrum in einer genau definierten Anordnung arrangiert,
ähnlich wie es in Enzymen geschieht“, sagt Frank Würthner.
Die
JMU-Gruppe präsentiert die Details ihres neuartigen Konzepts nun im
Fachjournal Nature Catalysis. Das Team aus Niklas Noll, Ana-Maria
Krause, Florian Beuerle und Frank Würthner ist davon überzeugt, dass
sich dieses Prinzip auch zur Verbesserung anderer katalytischer Prozesse
eignet.
Das langfristige Ziel der Würzburger Gruppe ist es, den
Wasseroxidations-Katalysator in ein künstliches Bauteil einzubauen, das
mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in seine beiden Bestandteile
Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Das wird noch seine Zeit dauern,
denn dafür muss der Katalysator mit weiteren Komponenten zu einem
funktionierenden Gesamtsystem gekoppelt werden – mit lichtsammelnden
Farbstoffen und mit sogenannten Reduktionskatalysatoren.
Den Artikel finden Sie unter:
https://www.uni-wuerzburg.de/aktuelles/pressemitteilungen/single/news/kuenstliches-enzym-spaltet-wasser/
Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg (10/2022)
Publikation: Enzyme-like
water preorganization in a synthetic molecular cleft for homogeneous
water oxidation catalysis. Nature Catalysis, 3. Oktober 2022, DOI:
10.1038/s41929-022-00843-x |