เอนไซม์ประดิษฐ์แยกน้ำ

ไฮโดรเจนถือเป็นทางเลือกที่น่าสนใจสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิล สามารถผลิตน้ำโดยใช้ไฟฟ้าได้ หากไฟฟ้ามาจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน จะเรียกว่าไฮโดรเจนสีเขียว แต่จะยั่งยืนยิ่งขึ้นหากสามารถผลิตไฮโดรเจนได้โดยตรงด้วยพลังงานจากแสงอาทิตย์ ในธรรมชาติ การแตกตัวของน้ำที่ขับเคลื่อนด้วยแสงจะเกิดขึ้นระหว่างการสังเคราะห์ด้วยแสงในพืช พืชใช้เครื่องมือโมเลกุลที่ซับซ้อนสำหรับสิ่งนี้ ซึ่งเรียกว่า photosystem II การเลียนแบบศูนย์กลางที่ใช้งานอยู่เป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มในการตระหนักถึงการผลิตไฮโดรเจนที่ยั่งยืน ทีมที่นำโดยศาสตราจารย์ Frank Würthner จาก Institute of Organic Chemistry และ Center for Nanosystems Chemistry ที่ Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) กำลังดำเนินการในเรื่องนี้ การแยกน้ำไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย น้ำ (H 2 O) ประกอบด้วยออกซิเจนหนึ่งอะตอมและไฮโดรเจนสองอะตอม น้ำ ขั้นตอนแรกของการแยกน้ำเป็นความท้าทาย: เพื่อปลดปล่อยไฮโดรเจน ออกซิเจนจะต้องถูกกำจัดออกจากโมเลกุลของน้ำสองโมเลกุล ในการทำเช่นนี้ ก่อนอื่นจำเป็นต้องกำจัดอิเล็กตรอนสี่ตัวและโปรตอนสี่ตัวออกจากโมเลกุลของน้ำทั้งสอง ปฏิกิริยาออกซิเดชันนี้ไม่ใช่เรื่องเล็กน้อย พืชใช้โครงสร้างที่ซับซ้อนเพื่อกระตุ้นกระบวนการนี้ ซึ่งประกอบด้วยกลุ่มที่มีอะตอมแมงกานีส 4 อะตอมซึ่งอิเล็กตรอนสามารถแพร่กระจายได้ ทีมงานของ Würthner ได้พัฒนาโซลูชันที่คล้ายคลึงกันในความก้าวหน้าครั้งแรกของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในวารสารNature Chemistry and Energy & Environmental Scienceในปี 2559 และ 2560 ซึ่งเป็น "เอนไซม์เทียม" ชนิดหนึ่งที่สามารถจัดการขั้นตอนแรกของการแยกน้ำได้ ตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำนี้ ซึ่งประกอบด้วยศูนย์รูทีเนียมสามแห่งที่มีปฏิสัมพันธ์ในสถาปัตยกรรมแบบมาโครไซคลิก ประสบความสำเร็จในการเร่งปฏิกิริยาของกระบวนการออกซิเดชันของน้ำที่เรียกร้องทางอุณหพลศาสตร์ ประสบความสำเร็จกับกระเป๋าเทียม ตอนนี้ นักเคมีที่ JMU ประสบความสำเร็จในการทำให้ปฏิกิริยาที่ซับซ้อนเกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพในรูทีเนียมเพียงแห่งเดียว ในกระบวนการนี้ พวกเขายังประสบความสำเร็จในกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาที่สูงพอๆ กัน เช่นเดียวกับในแบบจำลองธรรมชาติ ซึ่งเป็นเครื่องมือสังเคราะห์แสงของพืช "ความสำเร็จนี้เกิดขึ้นได้เพราะ Niklas Noll นักศึกษาปริญญาเอกของเราสร้างกระเป๋าเทียมรอบๆ ตัวเร่งปฏิกิริยารูทีเนียม ในนั้น โมเลกุลของน้ำสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนคู่โปรตอนที่ต้องการจะถูกจัดเรียงไว้ด้านหน้าของใจกลางรูทีเนียมในการจัดเรียงที่กำหนดไว้อย่างแม่นยำ คล้ายกับ เกิดอะไรขึ้นในเอนไซม์" Frank Würthner กล่าว เป้าหมายระยะยาวของกลุ่ม Würzburg คือการรวมเอาตัวเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของน้ำเข้ากับอุปกรณ์เทียมที่แยกน้ำออกเป็นออกซิเจนและไฮโดรเจนด้วยความช่วยเหลือของแสงแดด การดำเนินการนี้จะใช้เวลาระยะหนึ่ง เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาต้องประกอบเข้ากับส่วนประกอบอื่นๆ เพื่อสร้างระบบโดยรวมที่ทำงานได้ โดยใช้สีย้อมสำหรับเก็บเกี่ยวแสงและด้วยตัวเร่งปฏิกิริยารีดักชัน