Künstliches Enzym spaltet Wasser

Wasserstoff gilt als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen. Es kann mit Strom aus Wasser hergestellt werden. Stammt der Strom aus erneuerbaren Quellen, spricht man von grünem Wasserstoff. Noch nachhaltiger wäre es aber, wenn Wasserstoff direkt mit der Energie des Sonnenlichts hergestellt werden könnte.

In der Natur findet bei der Photosynthese in Pflanzen eine lichtgetriebene Wasserspaltung statt. Pflanzen nutzen hierfür einen komplexen molekularen Apparat, das sogenannte Photosystem II. Die Nachahmung seines aktiven Zentrums ist eine vielversprechende Strategie zur Verwirklichung einer nachhaltigen Produktion von Wasserstoff. Daran arbeitet ein Team um Professor Frank Würthner vom Institut für Organische Chemie und dem Zentrum für Nanosystemchemie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Die Wasserspaltung ist nicht trivial

Wasser (H₂O) besteht aus einem Sauerstoff- und zwei Wasserstoffatomen. Der erste Schritt der Wasserspaltung ist eine Herausforderung: Um den Wasserstoff freizusetzen, muss der Sauerstoff aus zwei Wassermolekülen entfernt werden. Dazu müssen den beiden Wassermolekülen zunächst vier Elektronen und vier Protonen entzogen werden.

Diese oxidative Reaktion ist nicht trivial. Um diesen Prozess zu katalysieren, nutzen Pflanzen eine komplexe Struktur, die aus einem Cluster mit vier Manganatomen besteht, über die sich die Elektronen ausbreiten können. Würthners Team hat im Rahmen seines ersten in Fachzeitschriften veröffentlichten Durchbruchs eine ähnliche Lösung entwickelt Naturchemie Und Energie- und Umweltwissenschaften 2016 und 2017 eine Art „künstliches Enzym“, das den ersten Schritt der Wasserspaltung bewältigen kann. Dieser Wasseroxidationskatalysator, der aus drei Rutheniumzentren besteht, die in einer makrozyklischen Architektur interagieren, katalysiert erfolgreich den thermodynamisch anspruchsvollen Prozess der Wasseroxidation.

Erfolg mit einer künstlichen Tasche

Nun ist es Chemikern der JMU gelungen, die anspruchsvolle Reaktion effizient an einem einzigen Rutheniumzentrum ablaufen zu lassen. Dabei erreichten sie sogar ähnlich hohe katalytische Aktivitäten wie im natürlichen Vorbild, dem Photosyntheseapparat der Pflanzen.

„Dieser Erfolg wurde möglich, weil unser Doktorand Niklas Noll eine künstliche Tasche um den Ruthenium-Katalysator geschaffen hat. Darin sind die Wassermoleküle für den gewünschten protonengekoppelten Elektronentransfer in einer genau definierten Anordnung vor dem Ruthenium-Zentrum angeordnet, ähnlich.“ zu dem, was in Enzymen passiert“, sagt Frank Würthner.

Langfristiges Ziel der Würzburger Gruppe ist es, den Wasseroxidationskatalysator in eine künstliche Vorrichtung zu integrieren, die mit Hilfe von Sonnenlicht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. Dies wird einige Zeit in Anspruch nehmen, da der Katalysator mit anderen Komponenten zu einem funktionierenden Gesamtsystem gekoppelt werden muss – mit lichtsammelnden Farbstoffen und mit sogenannten Reduktionskatalysatoren.