Katalizator zmian w produkcji energii
Sztuczna fotosynteza wymaga przezwyciężenia poważnych trudności technicznych. W przyrodzie kompleks enzymów zwany fotoukładem II umożliwia roślinom rozbijanie cząsteczek na cząsteczkowy wodór i tlen. W układach sztucznych wodę można utleniać na specjalnie przygotowanych powierzchniach z tlenków metali. Optymalizacja katalizatorów in vitro w celu uzyskania działania zbliżonego do fotoukładu II wymaga jednak niedostępnych dotychczas szczegółowych informacji o miejscach aktywnych na dużych cząstkach tlenków. Dofinansowanie UE dla projektu "Water splitting catalysts for artificial photosynthesis" (H2OSPLIT) umożliwiło naukowcom poczynienie znacznych postępów w charakteryzowaniu nowatorskich, bardzo wydajnych katalizatorów do utleniania wody. Prace skoncentrowano na zsyntetyzowanych niedawno homogenicznych, nieorganicznych katalizatorach polioksometalicznych na bazie rutenu (Ru-POM), które wykazały bezprecedensową reaktywność i stabilność w roztworze. Dotychczas niewiele jednak było wiadomo o ich cechach elektronowych i strukturalnych. Szeroko zakrojone prace teoretyczne i symulacyjne projektu H2OSPLIT dostarczyły pilnie potrzebnej charakterystyki właściwości katalizatorów Ru-POM w fazie gazowej. Ponadto pomyślnie opisano interakcje między aktywnymi rdzeniami układu z tlenku rutenu a cząsteczką wody. Symulacje z wykorzystaniem klasycznej dynamiki molekularnej ujawniły interakcje zachodzące w roztworze katalizatora między rozpuszczalnikiem a substancją rozpuszczoną. Dzięki dodatkowym symulacjom poznano mechanizm utleniania wody. Projekt H2OSPLIT wykazał, że nanocząsteczki Ru4-POM pozwalają stworzyć przełomowy układ katalityczny do utleniania wody w procesie sztucznej fotosyntezy. Naukowcy skorelowali strukturę lokalną miejsc aktywnych z mechanizmem reakcji i jego sprawnością termodynamiczną. Wykonane prace utorowały drogę dla racjonalnego projektowania ulepszonych katalizatorów cząsteczkowych nie tylko do sztucznej fotosyntezy, lecz również do wielu innych reakcji o znaczeniu przemysłowym.
Słowa kluczowe
Sztuczna fotosynteza, katalizator, enzym, fotoukład II, tlenek metalu, miejsca aktywne, utlenianie wody, ruten, polioksometaliczne, symulacje
