La humanidad se enfrenta a un desafío fundamental:debe gestionar la transición hacia una economía energética sostenible y neutra en dióxido de carbono.

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

En la naturaleza, la división del agua impulsada por la luz tiene lugar durante la fotosíntesis en las plantas. Las plantas utilizan para ello un aparato molecular complejo, el llamado fotosistema II. Imitar su centro activo es una estrategia prometedora para realizar la producción sostenible de hidrógeno. 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) está trabajando en esto.

La división del agua no es trivial

Agua (H₂ O) 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 hacer esto, primero es necesario quitar cuatro electrones y cuatro protones de las dos moléculas de agua.

Esta reacción oxidativa no es trivial. Las plantas usan una estructura compleja para catalizar este proceso, que consiste en un grupo con cuatro átomos de manganeso sobre los cuales se pueden esparcir los electrones. El equipo de Würthner ha desarrollado una solución similar dentro de su primer avance publicado en las revistas Nature Chemistry 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 del agua, que consta de tres centros de rutenio que interactúan en una arquitectura macrocíclica, cataliza con éxito el exigente proceso termodinámico de oxidación del agua.

Éxito con un bolsillo artificial

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

"Este éxito fue posible porque nuestro estudiante de doctorado Niklas Noll creó un bolsillo artificial alrededor del catalizador de rutenio. En él, las moléculas de agua para la transferencia de electrones acoplada al protón deseada están dispuestas frente al centro de rutenio en una disposición definida con precisión, similar a lo que sucede en las enzimas", dice Frank Würthner.

El grupo JMU presenta los detalles de su novedoso concepto en la revista Nature Catalysis . El equipo formado por Niklas Noll, Ana-Maria Krause, Florian Beuerle y Frank Würthner está convencido de que este principio también es adecuado para mejorar otros procesos catalíticos.

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

Luz en lugar de electricidad:un nuevo tipo de 'hidrógeno verde'