인공효소가 물을 분해하다

수소는 화석 연료의 유망한 대안으로 간주됩니다. 전기를 사용하여 물에서 생산할 수 있습니다. 재생 가능한 에너지원에서 전기를 생산하는 경우 이를 그린수소라고 합니다. 그러나 햇빛 에너지로 직접 수소를 생산할 수 있다면 더욱 지속 가능해질 것입니다.

자연에서는 식물의 광합성 중에 빛에 의해 물이 분해됩니다. 식물은 이를 위해 소위 광계 II라고 불리는 복잡한 분자 장치를 사용합니다. 활성 센터를 모방하는 것은 지속 가능한 수소 생산을 실현하기 위한 유망한 전략입니다. 유기 화학 연구소의 Frank Würthner 교수와 Julius-Maximilians-Universität Wurzburg(JMU)의 나노시스템 화학 센터가 이끄는 팀이 이에 대해 연구하고 있습니다.

물 분해는 사소한 일이 아닙니다.

물(H₂O) 산소 원자 1개와 수소 원자 2개로 구성됩니다. 물 분해의 첫 번째 단계는 도전 과제입니다. 수소를 방출하려면 두 개의 물 분자에서 산소를 제거해야 합니다. 이를 위해서는 먼저 두 개의 물 분자에서 4개의 전자와 4개의 양성자를 제거해야 합니다.

이 산화 반응은 사소한 것이 아닙니다. 식물은 이 과정을 촉매하기 위해 전자가 퍼질 수 있는 4개의 망간 원자로 구성된 클러스터로 구성된 복잡한 구조를 사용합니다. Würthner 팀은 저널에 발표된 첫 번째 혁신에서 유사한 솔루션을 개발했습니다. 자연화학 그리고 에너지 및 환경 과학 2016년과 2017년에는 물분해의 첫 단계를 관리할 수 있는 일종의 '인공효소'가 탄생했다. 거대고리 구조에서 상호작용하는 3개의 루테늄 센터로 구성된 이 물 산화 촉매는 열역학적으로 까다로운 물 산화 과정을 성공적으로 촉매합니다.

인공주머니로 성공

이제 JMU의 화학자들은 단일 루테늄 센터에서 정교한 반응이 효율적으로 발생하도록 만드는 데 성공했습니다. 그 과정에서 그들은 식물의 광합성 장치인 자연 모델에서와 마찬가지로 유사한 높은 촉매 활성을 달성했습니다.

'이러한 성공은 우리 박사과정 학생인 Niklas Noll이 루테늄 촉매 주위에 인공 주머니를 만들었기 때문에 가능했습니다. 거기에서 원하는 양성자 결합 전자 이동을 위한 물 분자는 유사하게 정확하게 정의된 배열로 루테늄 중심 앞에 배열됩니다. 효소에서 무슨 일이 일어나는지'라고 Frank Würthner는 말합니다.

뷔르츠부르크 그룹의 장기 목표는 햇빛의 도움으로 물을 산소와 수소로 분리하는 인공 장치에 물 산화 촉매를 통합하는 것입니다. 광수집 염료 및 소위 환원 촉매와 함께 기능하는 전체 시스템을 형성하기 위해 촉매가 다른 구성 요소와 결합되어야 하기 때문에 시간이 좀 걸릴 것입니다.