Preorganizzazione dell'acqua simile a un enzima davanti a un catalizzatore di ossidazione dell'acqua di rutenio. Credito:gruppo Würthner / Università di Würzburg
L'umanità si trova ad affrontare una sfida centrale:deve gestire la transizione verso un'economia energetica sostenibile e neutra in termini di anidride carbonica.
L'idrogeno è considerato un'alternativa promettente ai combustibili fossili. Può essere prodotto dall'acqua utilizzando l'elettricità. Se l'elettricità proviene da fonti rinnovabili, si parla di idrogeno verde. Ma sarebbe ancora più sostenibile se l'idrogeno potesse essere prodotto direttamente con l'energia della luce solare.
In natura, la scissione dell'acqua guidata dalla luce avviene durante la fotosintesi nelle piante. Le piante utilizzano per questo un complesso apparato molecolare, il cosiddetto fotosistema II. Imitare il suo centro attivo è una strategia promettente per realizzare la produzione sostenibile di idrogeno. A questo sta lavorando un team guidato dal professor Frank Würthner dell'Istituto di chimica organica e del Centro di chimica dei nanosistemi della Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).
La divisione dell'acqua non è banale
Acqua (H2 O) è costituito da un ossigeno e due atomi di idrogeno. Il primo passo della scissione dell'acqua è una sfida:per rilasciare l'idrogeno, l'ossigeno deve essere rimosso da due molecole d'acqua. Per fare ciò, è prima necessario rimuovere quattro elettroni e quattro protoni dalle due molecole d'acqua.
Questa reazione ossidativa non è banale. Le piante utilizzano una struttura complessa per catalizzare questo processo, costituita da un ammasso con quattro atomi di manganese su cui gli elettroni possono diffondersi. Il team di Würthner ha sviluppato una soluzione simile all'interno della loro prima svolta pubblicata sulle riviste Nature Chemistry e Energia e scienze ambientali nel 2016 e nel 2017, una sorta di "enzima artificiale" in grado di gestire il primo passaggio di scissione dell'acqua. Questo catalizzatore di ossidazione dell'acqua, costituito da tre centri di rutenio che interagiscono in un'architettura macrociclica, catalizza con successo il processo termodinamicamente impegnativo dell'ossidazione dell'acqua.
Successo con una tasca artificiale
Ora, i chimici della JMU sono riusciti a far sì che la reazione sofisticata avvenga in modo efficiente su un unico centro di rutenio. Nel processo, hanno anche raggiunto attività catalitiche altrettanto elevate come nel modello naturale, l'apparato fotosintetico delle piante.
"Questo successo è stato reso possibile perché il nostro dottorando Niklas Noll ha creato una tasca artificiale attorno al catalizzatore di rutenio. In essa, le molecole d'acqua per il trasferimento di elettroni accoppiati a protoni desiderati sono disposte davanti al centro di rutenio in una disposizione ben definita, simile a cosa succede negli enzimi", afferma Frank Würthner.
Il gruppo JMU presenta i dettagli del loro nuovo concept sulla rivista Nature Catalysis . Il team composto da Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle e Frank Würthner è convinto che questo principio sia adatto anche per migliorare altri processi catalitici.
L'obiettivo a lungo termine del gruppo di Würzburg è integrare il catalizzatore di ossidazione dell'acqua in un dispositivo artificiale che scinde l'acqua in ossigeno e idrogeno con l'aiuto della luce solare. Ciò richiederà del tempo, poiché il catalizzatore deve essere accoppiato con altri componenti per formare un sistema globale funzionante, con coloranti a raccolta della luce e con i cosiddetti catalizzatori di riduzione. + Esplora ulteriormente
