Una enzima artificial divide el agua

El hidrógeno se considera una alternativa prometedora a los combustibles fósiles. Se puede producir a partir de agua utilizando electricidad. Si la electricidad proviene de fuentes renovables se le llama hidrógeno verde. Pero sería aún más sostenible si se pudiera producir hidrógeno directamente con la energía de la luz solar.

En la naturaleza, la división del agua impulsada por la luz tiene lugar durante la fotosíntesis de las plantas. Para ello, las plantas utilizan un complejo aparato molecular, el llamado fotosistema II. Imitar su centro activo es una estrategia prometedora para lograr la producción sostenible de hidrógeno. En esto está trabajando un equipo dirigido por el profesor Frank Würthner del Instituto de Química Orgánica y el Centro de Química de Nanosistemas de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

La división del agua no es trivial

Agua (H₂O) consta de un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. El primer paso de la división del agua es un desafío: para liberar el hidrógeno, se debe eliminar el oxígeno de dos moléculas de agua. Para ello, primero es necesario eliminar cuatro electrones y cuatro protones de las dos moléculas de agua.

Esta reacción oxidativa no es trivial. Las plantas utilizan una estructura compleja para catalizar este proceso, que consiste en un grupo con cuatro átomos de manganeso sobre el que se pueden distribuir los electrones. El equipo de Würthner ha desarrollado una solución similar en su primer avance publicado en las revistas. Química de la naturaleza y Energía y ciencias ambientales en 2016 y 2017, una especie de 'enzima artificial' que puede gestionar el primer paso de la división del agua. Este catalizador de oxidación de agua, que consta de tres centros de rutenio que interactúan en una arquitectura macrocíclica, cataliza con éxito el proceso de oxidación de agua, termodinámicamente exigente.

Éxito con un bolsillo artificial.

Ahora, los químicos de JMU han logrado que esta sofisticada reacción se lleve a cabo de manera eficiente en un único centro de rutenio. En el proceso, incluso lograron actividades catalíticas similares a las del modelo natural, el aparato fotosintético de las plantas.

'Este éxito fue posible gracias a que nuestro estudiante de doctorado Niklas Noll creó una bolsa artificial alrededor del catalizador de rutenio. En ella, las moléculas de agua para la deseada transferencia de electrones acoplados a protones están dispuestas delante del centro de rutenio en una disposición exactamente definida, similar a lo que ocurre en las enzimas', afirma Frank Würthner.

El objetivo a largo plazo del grupo de Würzburg es integrar el catalizador de oxidación del agua en un dispositivo artificial que, con ayuda de la luz solar, descompone el agua en oxígeno e hidrógeno. Esto llevará algún tiempo, ya que el catalizador debe acoplarse con otros componentes para formar un sistema global que funcione: con tintes que captan la luz y con los llamados catalizadores de reducción.