A humanidade está enfrentando um desafio central:deve gerenciar a transição para uma economia de energia sustentável e neutra em dióxido de carbono.
O hidrogênio é considerado uma alternativa promissora aos combustíveis fósseis. Pode ser produzido a partir de água usando eletricidade. Se a eletricidade vem de fontes renováveis, é chamado de hidrogênio verde. Mas seria ainda mais sustentável se o hidrogênio pudesse ser produzido diretamente com a energia da luz solar.

Na natureza, a divisão da água acionada pela luz ocorre durante a fotossíntese nas plantas. As plantas usam um complexo aparato molecular para isso, o chamado fotossistema II. Imitar seu centro ativo é uma estratégia promissora para realizar a produção sustentável de hidrogênio. Uma equipe liderada pelo professor Frank Würthner do Instituto de Química Orgânica e do Centro de Química de Nanossistemas da Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) está trabalhando nisso.

A divisão da água não é trivial

Água (H₂ O) consiste em um oxigênio e dois átomos de hidrogênio. A primeira etapa da divisão da água é um desafio:para liberar o hidrogênio, o oxigênio deve ser removido de duas moléculas de água. Para fazer isso, primeiro é necessário remover quatro elétrons e quatro prótons das duas moléculas de água.

Esta reação oxidativa não é trivial. As plantas usam uma estrutura complexa para catalisar esse processo, consistindo em um aglomerado com quatro átomos de manganês sobre os quais os elétrons podem se espalhar. A equipe de Würthner desenvolveu uma solução semelhante em seu primeiro avanço publicado nas revistas Nature Chemistry e Energia e Ciências Ambientais em 2016 e 2017, uma espécie de "enzima artificial" que pode gerenciar o primeiro passo da divisão da água. Este catalisador de oxidação da água, que consiste em três centros de rutênio interagindo em uma arquitetura macrocíclica, catalisa com sucesso o processo termodinamicamente exigente de oxidação da água.

Sucesso com um bolso artificial

Agora, os químicos da JMU conseguiram fazer com que a sofisticada reação ocorresse de forma eficiente em um único centro de rutênio. No processo, eles alcançaram atividades catalíticas semelhantes às do modelo natural, o aparelho fotossintético das plantas.

"Esse sucesso foi possível porque nosso aluno de doutorado Niklas Noll criou um bolsão artificial em torno do catalisador de rutênio. Nele, as moléculas de água para a transferência de elétrons acoplada a prótons são dispostas na frente do centro de rutênio em um arranjo precisamente definido, semelhante ao o que acontece nas enzimas", diz Frank Würthner.

O grupo JMU apresenta os detalhes de seu novo conceito na revista Nature Catalysis . A equipe formada por Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle e Frank Würthner está convencida de que este princípio também é adequado para melhorar outros processos catalíticos.

O objetivo de longo prazo do grupo de Würzburg é integrar o catalisador de oxidação da água em um dispositivo artificial que divide a água em oxigênio e hidrogênio com a ajuda da luz solar. Isso levará algum tempo, pois o catalisador deve ser acoplado a outros componentes para formar um sistema geral funcional – com corantes que coletam luz e com os chamados catalisadores de redução. + Explorar mais

Luz em vez de eletricidade:um novo tipo de 'hidrogênio verde'