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在自然界中和在OO键形成之前发现的锰簇的结构在背景中,具有中间状态S0至S4的水分解循环图:用于化学能量转换的MPI关于光合水分解细节的新见解已经为合成系统提供了蓝图,可以将阳光能量储存在化学能载体中社会的能源供应问题可以在未来使用自然采用的模型来解决在光合作用过程中,植物,藻类和一些细菌产生糖和其他能量丰富使用太阳能的物质(即燃料)由鲁尔河畔米尔海姆马克斯普朗克化学能转换研究所的研究人员组成的团队目前正在开发实验方法,以确定这一过程在自然界中是如何发生的

科学家正在研究一种特别重要的辅助因子

光合作用,锰 - 钙复合物,利用太阳能分裂在这个化学反应的关键阶段,他们已经确定了这种复合物的确切结构

这导致了关于如何在这种金属络合物中形成分子氧O2的详细建议

通过这些对光合作用的新见解,科学家为合成系统提供了蓝图,可以将太阳能储存在化学能载体中超过30亿年,大自然一直在利用阳光作为光合作用的主要能源

在这个过程中,植物,藻类和蓝细菌(蓝色 - 绿藻)利用阳光分解水并从二氧化碳(CO2)中产生富含能量的化合物最终产物是碳水化合物,在自然界中,它们作为活细胞中的太阳能燃料尽管光合作用所涉及的基本反应已为人所知

很长一段时间,来自鲁尔河畔米尔海姆的马克斯普朗克化学能转换研究所的研究人员和Commissariatàl'Énerg即法国Saclay的Atomique(CEA)现已成功解释了光诱导水分解过程的重要细节,因此,他们通过人工生产环境友好型低成本太阳能燃料的科学基础得到了改进

利用阳光和水进行光合作用,这一发展可以使社会结束对石油,煤和天然气等化石燃料的依赖

水分解催化剂光诱导催化水分解发生在嵌入大膜的金属络合物中蛋白质(光系统II)这种复合物由四个锰原子(Mn)和一个钙原子(Ca)组成,它们通过氧桥网络连接在一起(见图)这种水氧化或放氧的复合物经历了一个复杂的循环释放电子和质子,最终释放氢和分子氧在本周发表在科学杂志上的一篇文章中,德法研究小组在场这种锰 - 钙复合物的结构直接在氧气生产之前这种对植物光合作用关键阶段的了解是非常重要的:它提供了对光合作用机制的更详细的理解,并将使光合成系统的发展成为可能

基于该模型的诱导水分解该研究是由Wolfgang Lubitz和Frank Neese领导的马克斯普朗克化学能转换研究所生物物理化学与分子理论部门密切合作的结果,在这些部门中,Nicholas Cox和Dimitrios Pantazis组建了一个跨学科团队,旨在更好地了解自然界中水分解的分子细节

光系统II研究带来的三个挑战研究人员面临的第一个挑战是光系统II的提取和纯化

来自t的完全完整的水分解复合物他是原始生物,一种嗜热蓝藻,在日本的温泉和火山中发现,非常强大为了满足对制剂质量的非常严格的要求,Saclay的研究人员不得不进行多年的合作开发工作来自日本的研究人员研究小组遇到的第二个挑战涉及在水分解的不同阶段中光系统II中锰络合物的表征 总部位于米尔海姆的马克斯普朗克研究所生物物理化学系的研究人员利用电子顺磁共振(EPR)克服了这一障碍

这种技术可以使电子在分子或金属络合物中的分布可视化,从而提供深度洞察水分裂的各个阶段“这些测量产生了新的信息,并使得能够解决有关反应循环中分子结构详细分析的问题,这些问题是使用其他方法无法获得的,”CEA Saclay的Alain Boussac博士说道

第三个挑战在于使用所获得的信息来生成生物催化剂的完整结构模型

使用新理论方法和马克斯普朗克研究所分子理论系的超级计算机,促进了该过程所需的计算

这样,研究人员成功地证明了在拉特期间在反应循环的e阶段,第二个水分子在复合物中的活性氧原子旁边结合并释放质子这导致在下一步中形成OO键来自阳光的燃料 - 复制性质由于这种解码原子水平的光系统II中的水分解催化剂的结构和功能,现在可以解释水分解机理这一知识使得能够确定设计类似的合成催化剂的重要标准,这些催化剂使用环保的方式分解水,低成本且易于获得的元素目前,昂贵的铂金和其他稀有金属或金属配合物被广泛用于此目的这使得像氢这样的可再生能源载体(燃料)的大规模生产非常昂贵,甚至不可能有所帮助通过太阳能装置与水的结合,可以廉价地生产生物催化剂,氢气或其他太阳能燃料用于生成太阳能燃料而不是电力的催化剂这将使能源部门能够克服与太阳能相关的主要问题:太阳能不能作为能源全天候使用,电力不太适合运行电机相比之下,太阳能燃料概念能够将太阳能直接存储在化合物中,因此可以在任何时间或地点使用这种能源“合成太阳能燃料为可再生能源技术开辟了广泛的可能性,特别是仍然依赖化石燃料的运输和基础设施部门,“马克斯普朗克化学能转换研究所所长Wolfgang Lubitz教授说道

”基于锰等普通金属的高效光驱水分解催化剂将代表巨大的通过这项研究获得的对自然水分解酶的洞察力为此奠定了基础这样的发展“出版物:Nicholas Cox等人,”OO键形成之前光系统II中氧基合成复合物的电子结构,“Science 15 August 2014:Vol 345 no 6198 pp 804-808,DOI:101126 / science1254910来源:马克斯普朗克研究所图片:化学能转换MPI

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