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(Noticias de Nanowerk) La humanidad se enfrenta a un desafío fundamental: debe gestionar la transición hacia una economía energética sostenible y neutra en CO2.
El hidrógeno se considera una alternativa prometedora a los combustibles fósiles. Se puede hacer a partir de agua usando electricidad. Si la electricidad proviene de fuentes renovables, se llama hidrógeno verde. Pero sería aún más sostenible si el hidrógeno pudiera producirse directamente con la energía de la luz solar.
En la naturaleza, la división del agua impulsada por la luz ocurre durante la fotosíntesis en las plantas. Las plantas usan un aparato molecular complejo para esto, el llamado fotosistema II. Imitar su centro activo es una estrategia prometedora para lograr la producción sostenible de hidrógeno. Un equipo dirigido por el profesor Frank Würthner del Instituto de Química Orgánica y el Centro de Química de Nanosistemas de la Universidad Julius Maximilian de Würzburg (JMU) está trabajando en esto.
![Preorganización de agua similar a una enzima frente a un catalizador de oxidación de agua de rutenio](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/id61575_1.jpg)
La división del agua no es trivial
El agua consta de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El primer paso en la división del agua es un desafío: para liberar el hidrógeno, se debe eliminar el oxígeno de dos moléculas de agua. Para hacer esto, primero se deben eliminar cuatro electrones y cuatro protones de las dos moléculas de agua.
Esta reacción oxidativa no es trivial. Para catalizar este proceso, las plantas usan una estructura compleja que consiste en un grupo de cuatro átomos de manganeso sobre los cuales se pueden esparcir los electrones. El equipo de Würthner desarrolló una solución similar como parte de su primer avance, que se publicó en revistas especializadas. química natural y Ciencias Energéticas y Ambientales 2016 y 2017 una especie de «enzima artificial» que puede lograr el primer paso en la división del agua. Este catalizador de oxidación del agua, compuesto por tres centros de rutenio que interactúan en una arquitectura macrocíclica, cataliza con éxito el desafiante proceso de oxidación del agua desde el punto de vista termodinámico.
Éxito con una bolsa artificial
Los químicos de JMU ahora han logrado ejecutar de manera eficiente la reacción sofisticada en un solo centro de rutenio. Al hacerlo, incluso logran actividades catalíticas similares a las del modelo natural, el aparato fotosintético de las plantas.
«Este éxito fue posible porque nuestro estudiante de doctorado Niklas Noll creó un bolsillo artificial alrededor del catalizador de rutenio. En él, las moléculas de agua para la deseada transferencia de electrones acoplados a protones están dispuestas en una disposición definida con precisión frente al centro de rutenio, similar a lo que sucede en las enzimas», dice Frank Würthner.
El grupo JMU presenta los detalles de su innovador concepto en la revista catálisis natural («Preorganización de agua similar a una enzima en una hendidura molecular sintética para catálisis de oxidación de agua homogénea»). El equipo dirigido por Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle y Frank Würthner está convencido de que este principio también es adecuado para mejorar otros procesos catalíticos.
El objetivo a largo plazo del grupo de Würzburg es integrar el catalizador de oxidación del agua en un dispositivo artificial que utilice la luz solar para dividir el agua en oxígeno e hidrógeno. Esto llevará algún tiempo porque el catalizador tiene que acoplarse con otros componentes para formar un sistema general que funcione, con tintes captadores de luz y con los llamados catalizadores de reducción.
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