Mimicking Photosystem II with Manganese Model Complexes to Approach Artificial Photosynthesis

Abstract: Popular Abstract in Swedish Vi går mot ett mer och mer energikrävande samhälle. För att klara ett ökande behov av energi med de begränsande naturresurser som finns på jorden, har ett forskningsprojekt, som denna avhandling är en del av, som mål att utveckla artificiell fotosyntes. Den naturliga fotosyntesen använder sig av solljus för att omvandla koldioxid och vatten till energirika produkter såsom kolhydrater, och som restprodukt i denna process bildas syrgas. Det är från denna process, som startade för många hundra miljoner år sedan, som syret i atmosfären kommer. Den naturliga fotosyntesen spjälkar (oxiderar) två vatten (H2O), till syrgas (O2) och fyra vätejoner (H+) (protoner) med hjälp av ljus, enligt reaktion 1. 2 H2O + ljus --> O2 + 4 H+ + 4 e- 1 De fyra elektroner som frigörs ur denna reaktion, används för att göra energirika produkter. Fotosyntesen sker i växter, cyanobakterier och i alger. Solljus absorberas av klorofyll och den energi som ljuset för med sig, samlas i ett reaktionscentra där det sker en laddnings separation. I denna process övergår solenergin till kemisk energi och kan användas för att spjälka vatten, och det sker i Fotosystem II (PSII). PSII kan ses som ett D-S-A system, där D är en elektrondonator, ett mangankomplex som spjälkar vatten, S är en ljusabsorberande molekyl (sensiterare), som i den naturliga fotosyntesen är klorofyll, och A är en elektronacceptor. Idéen med artificiell fotosyntes är att skapa ett liknande system som kan spjälka vatten till syrgas och vätejoner, vätejonerna ska sedan tillsammans med fyra elektroner bilda vätgas. I naturen finns det en enzymgrupp som kallas hydrogenaser, som katalyserar vätejoner till vätgas. Vad vi vill göra, är att skapa ett D-S-A komplex som består av (D) som är ett mangankomplex som kan spjälka vatten, en sensiterare (S) som kan absorbera ljus och göra en laddnings separation, och en elektronacceptor (A) som kan ta emot elektroner och katalysera protoner till vätgas på samma sätt som ett hydrogenas. När man förbränner vätgas tillsammans med syrgas bildas vatten och energi, det innebär att råmaterialet (vatten) återskapas och kan användas igen. Detta göra att ett sådant system producerar energi men inga farliga restprodukter så som koldioxid som bidrar till växthuseffekten. Detta gör det till en miljövänlig och förnyelsebar energiform. Denna avhandling behandlar studien av donatormolekyler (D) och vi har valt att arbeta med tre olika mangankomplex innehållande två manganjoner vardera, i ett försök att efterlikna naturens mangankomplex. För att studera dessa metallkomplex har jag använt mig av en spektroskopisk teknik som kallas Elektron Paramagnetisk Resonans (EPR). Med den här tekniken kan man följa hur elektroner förflyttar sig, dvs. om någonting oxideras eller reduceras. Som sensiterare (S) använder vi ruteniumkomplex, och som elektronacceptor (A) ett koboltsalt. Vi har med hjälp av ljus och i lyckats oxidera våra mangankomplex till olika oxidations tillstånd. Vi har också visat att vatten är nödvändigt för att detta ska ske, och att syret i vatten bildar bryggor mellan manganerna under oxidationerna. Med mina resultat har vi fått en ökad förståelse för hur våra mangankomplex uppför sig vid oxidation och kan dra nytta av det i fortsatta studier på väg mot artificiell fotosyntes.