Wasserspaltung mit künstlichem Enzym Haben Forscher die künstliche Photosynthese quasi in der Tasche?

Aus Wasser lässt sich Wasserstoff gewinnen, der für eine grüne Energieversorgung in Zukunft wichtig sein wird. Um die Wasserstoffproduktion mithilfe von Enzymen ohne Verwendung von elektrischem Strom zu schaffen, sind aber einige Schritte zu knacken, einer ist die Wasseroxidation. Hier hat ein Team aus Würzburg wichtige Fortschritte erzielt.

Würzburg – Die Menschheit steht vor einigen großen Herausforderungen. Eine davon, wenn nicht sogar die größte, ist der Klimawandel. Hier sind viele Schritte nötig, um dessen Voranschreiten zu bremsen und die Folgen zu mildern. Ein zentrales Ziel ist es, den Übergang zu einer nachhaltigen und kohlendioxidneutralen Energiewirtschaft zu bewältigen.

Wasserstoff gilt als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen. Er lässt sich unter Einsatz von elektrischem Strom aus Wasser herstellen. Stammt der Strom aus regenerativen Quellen, spricht man von grünem Wasserstoff. Noch nachhaltiger wäre es aber, könnte man Wasserstoff direkt mit der Energie des Sonnenlichts produzieren.

Die Natur gibt mit der Photosynthese hier das nötige Vorbild: In Pflanzen läuft die lichtgetriebene Wasserspaltung, die auch zur Wasserstoffherstellung nötig ist, jeden Tag ab – und das seit vielen hundert Millionen Jahren. Diese verwenden dafür einen komplexen molekularen Apparat, das so genannte Photosystem II. Dessen aktives Zentrum nachzuahmen ist eine vielversprechende Strategie, um eine nachhaltige Produktion von Wasserstoff zu realisieren. Daran arbeitet ein Team von Prof. Frank Würthner am Institut für Organische Chemie und dem Zentrum für Nanosystemchemie der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Die Kunst von künstlichen Enzymen

Um Wasserstoffgas (H₂) aus Wasser (H₂O) zu erzeugen, muss das Wassermolekül zunächst in seine Bestandteile zerlegt werden. Und hier liegt die Herausforderung. Im ersten Schritt der Wasserspaltung wird aus zwei Wassermolekülen der Sauerstoff entfernt. Dafür ist es zunächst nötig, den beiden Wassermolekülen vier Elektronen und vier Protonen zu entziehen. Diese oxidative Reaktion ist schwieriger, als es sich anhört. Pflanzen nutzen dafür ein komplexes Gebilde als Katalysator, bestehend aus einem Cluster mit vier Mangan-Atomen, über die sich die Elektronen verteilen können.

Photokatalyse

Wasserstoff herstellen, ohne teure Edelmetalle

Würthners Team hatte in einem ersten Durchbruch eine ähnliche Lösung entwickelt, eine Art „künstliches Enzym“, das den ersten Schritt der Wasserspaltung erledigen kann. Dieser Wasseroxidations-Katalysator, bestehend aus drei miteinander agierenden Ruthenium-Zentren innerhalb eines makrozyklischen Konstrukts, katalysiert erfolgreich den thermodynamisch anspruchsvollen Prozess der Wasserspaltung. Publiziert wurde das 2016 in Nature Chemistry (s. Literatur unten).

Wasseroxidation in der Molekül-Tasche

Nun ist es den Chemikern der JMU gelungen, die anspruchsvolle Reaktion mit einem einzigen Ruthenium-Zentrum effizient ablaufen zu lassen, statt mit den bisher benötigten drei Zentren. Dabei wurden sogar ähnlich hohe katalytische Aktivitäten wie im natürlichen Vorbild erreicht, dem Photosyntheseapparat der Pflanzen.

„Möglich wurde dieser Erfolg, weil unser Doktorand Niklas Noll eine künstliche Tasche um den Ruthenium-Katalysator geschaffen hat. Darin werden die Wassermoleküle für den gewünschten protonengekoppelten Elektronentransfer vor dem Ruthenium-Zentrum in einer genau definierten Anordnung arrangiert, ähnlich wie es in Enzymen geschieht“, sagt Würthner. Das Forscherteam Würthner ist davon überzeugt, dass sich dieses Prinzip auch zur Verbesserung anderer katalytischer Prozesse eignet.

Langfristig zielt die Würzburger Gruppe darauf ab, den Wasseroxidations-Katalysator in ein künstliches Bauteil einzubauen, das mithilfe von Sonnenlicht Wasser in seine beiden Bestandteile Wasserstoff und Sauerstoff zerlegt. Das wird noch seine Zeit dauern, denn dafür muss der Katalysator mit weiteren Komponenten zu einem funktionierenden Gesamtsystem gekoppelt werden – mit lichtsammelnden Farbstoffen und mit so genannten Reduktionskatalysatoren.

Originalpublikation: Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle & Frank Würthner: Enzyme-like water preorganization in a synthetic molecular cleft for homogeneous water oxidation catalysis, Nature Catalysis, 3. Oktober 2022, DOI: 10.1038/s41929-022-00843-x

Weitere Literatur:

Schulze, Marcus; Kunz, Valentin; Frischmann, Peter D.; Würthner, Frank: A supramolecular ruthenium macrocycle with high catalytic activity for water oxidation that mechanistically mimics photosystem II, Nat Chem (2016). 8(6) 576–583; DOI: 10.1038/nchem.2503

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