De mensheid staat voor een centrale uitdaging:zij moet de transitie naar een duurzame en CO2-neutrale energie-economie managen.

Waterstof wordt gezien als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen. Het kan worden geproduceerd uit water met behulp van elektriciteit. Als de elektriciteit uit hernieuwbare bronnen komt, wordt het groene waterstof genoemd. Maar het zou nog duurzamer zijn als waterstof direct kan worden geproduceerd met de energie van zonlicht.

In de natuur vindt lichtgestuurde watersplitsing plaats tijdens fotosynthese in planten. Planten gebruiken hiervoor een complex moleculair apparaat, het zogenaamde fotosysteem II. Het nabootsen van het actieve centrum is een veelbelovende strategie om de duurzame productie van waterstof te realiseren. Een team onder leiding van professor Frank Würthner van het Institute of Organic Chemistry en het Centre for Nanosystems Chemistry van de Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) werkt hieraan.

Water splitsen is niet triviaal

Water (H₂ O) bestaat uit één zuurstof- en twee waterstofatomen. De eerste stap van watersplitsing is een uitdaging:om de waterstof vrij te maken, moet de zuurstof uit twee watermoleculen worden verwijderd. Hiervoor moeten eerst vier elektronen en vier protonen uit de twee watermoleculen worden verwijderd.

Deze oxidatieve reactie is niet triviaal. Planten gebruiken een complexe structuur om dit proces te katalyseren, bestaande uit een cluster met vier mangaanatomen waarover de elektronen zich kunnen verspreiden. Het team van Würthner heeft een vergelijkbare oplossing ontwikkeld binnen hun eerste doorbraak gepubliceerd in de tijdschriften Nature Chemistry en Energie- en milieuwetenschappen in 2016 en 2017, een soort "kunstmatig enzym" dat de eerste stap van watersplitsing kan beheren. Deze wateroxidatiekatalysator, die bestaat uit drie rutheniumcentra die op elkaar inwerken in een macrocyclische architectuur, katalyseert met succes het thermodynamisch veeleisende proces van wateroxidatie.

Succes met een kunstmatige zak

Nu zijn chemici van JMU erin geslaagd om de geavanceerde reactie efficiënt te laten plaatsvinden op een enkel rutheniumcentrum. In het proces hebben ze zelfs vergelijkbare hoge katalytische activiteiten bereikt als in het natuurlijke model, het fotosynthetische apparaat van planten.

"Dit succes werd mogelijk gemaakt omdat onze promovendus Niklas Noll een kunstmatige zak rond de rutheniumkatalysator creëerde. Daarin zijn de watermoleculen voor de gewenste proton-gekoppelde elektronenoverdracht in een nauwkeurig gedefinieerde opstelling voor het rutheniumcentrum gerangschikt, vergelijkbaar met wat er gebeurt in enzymen", zegt Frank Würthner.

De JMU-groep presenteert de details van hun nieuwe concept in het tijdschrift Nature Catalysis . Het team bestaande uit Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle en Frank Würthner is ervan overtuigd dat dit principe ook geschikt is om andere katalytische processen te verbeteren.

Het langetermijndoel van de Würzburg-groep is om de wateroxidatiekatalysator te integreren in een kunstmatig apparaat dat water met behulp van zonlicht splitst in zuurstof en waterstof. Dit zal enige tijd duren, omdat de katalysator moet worden gekoppeld aan andere componenten om een ​​werkend totaalsysteem te vormen - met lichtoogstkleurstoffen en met zogenaamde reductiekatalysatoren. + Verder verkennen

Licht in plaats van elektriciteit:een nieuw soort 'groene waterstof'