Американские ученые сымитировали процесс фотосинтеза с помощью искусственного катализатора на основе кобальта и обнаружили, что расщепление воды на кислород и водород происходит так же, как и у растений. Результаты, опубликованные в журнале Chem Catalysis, приближают человечество к созданию эффективных способов получения чистой энергии из солнечного света. Кратко об этом рассказывается в пресс-релизе на TechXplore.com.
Для фотосинтеза растения используют хлоропласты — клеточные органеллы, в которых присутствуют комплексы белков и других молекул, осуществляющих конвертирование энергии солнечного света в энергию химических связей. Одним из главных комплексов является фотосистема II, которая поглощает кванты света через фотохимические реакции и формирует сильный окислитель — двойную (димерную) молекулу хлорофилла (P680), которая в возбужденном состоянии способствует расщеплению воды на кислород и водород. Непосредственное окисление воды осуществляет марганцевый комплекс — сложная молекула из атомов марганца, кислорода и кальция (Mn4CaO).
Наиболее структурно и функционально близкими к марганцевому комплексу фотосистемы II являются катализаторы окисления воды (WOC) на основе кобальта — Co4O4. Дальнейшее увеличение эффективности WOC сталкивается с проблемой: реакция расщепления воды настолько сложная, что ученые до сих пор не знают в точности, как она протекает. Известно, что перед выделением молекулярного кислорода (О=О) в комплексе возникает связь O-O. Чтобы понять, как это происходит, исследователи использовали рентгеновскую абсорбционную спектроскопию и XAFS-спектроскопию комплекса.
В фотосистеме II один из атомов марганца связывается с молекулой воды, в результате чего возникает ключевой промежуточный фрагмент Mn=O. Вторая молекула воды производит нуклеофильную атаку на этот фрагмент, что и приводит к формированию O=O. Считается, что в кобальтовом WOC должен возникать схожий фрагмент Со=О, однако этого раньше не наблюдалось. Ученым удалось подтвердить, что Co=O действительно образуется и активирует воду через нуклеофильную атаку, как это происходит у растений.
Результаты исследования доказывают, что кобальтовый комплекс действует аналогично марганцевому комплексу, что усиливает понимание механизмов окисления воды для обеих систем. Как заключают авторы, их работа служит основой для рационального проектирования многоядерных катализаторов окисления воды на основе 3d-переходных металлов.
Хотя эффективность естественного фотосинтеза довольно низкая и обычно составляет около одного процента (много энергии уходит на поддержание дыхания растений), искусственные аналоги могут повысить это значение до 22 процентов и выше. Что касается поглощения атмосферного углекислого газа, то фотосинтезирующие организмы улавливают его в таких объемах, какие искусственным катализаторам пока не доступны.