Chất xúc tác dựa trên mangan (chất màu đen) có thể bắt chước quá trình phân tách nước thành oxy và hydro diễn ra ở thực vật trong cụm protein của hệ quang II chịu trách nhiệm cho quá trình quang hợp.

Thực vật sử dụng quang hợp để chuyển đổi cacbon dioxit và nước thành đường và oxy. Quá trình này bắt đầu trong một cụm các nguyên tử mangan, canxi và oxy ở trung tâm của một phức hợp protein được gọi là hệ quang II, có chức năng phân tách nước để tạo thành khí oxy, proton và điện tử.

 Các nhà nghiên cứu đã cố gắng để phát triển các chất xúc tác tổng hợp bắt chước cụm này, sử dụng ánh sáng hay điện để chuyển đổi nước thành nhiên liệu, như khí hydro. Tuy nhiên, không giống thực vật, các chất xúc tác nhân tạo chỉ có thể tách nước kiềm, làm cho quá trình này kém bền vững.

 Ryuhei Nakamura và các đồng nghiệp tại Trung tâm Khoa học tài nguyên bền vững RIKEN mới đây đã phát triển một hệ chất xúc tác dựa vào oxit mangan có thể tách hiệu quả nước có nồng độ pH trung tính. “Tự nhiên sử dụng một dạng nước an toàn, sạch sẽ và phong phú để tạo ra nhiên liệu, qua đó có được các hệ sinh thái bền vững theo đúng nghĩa,” Nakamura nói. “Chất xúc tác sử dụng nước có nồng độ pH trung tính như một nguồn năng lượng tái tạo sẽ trở thành nền tảng cho xã hội bền vững.”

 Trong hệ quang II, các ion mangan (Mn) tích điện dần dần loại bỏ các điện tử khi chúng lấy đi các proton ra khỏi các phân tử nước. Điều này làm cho mangan ở trạng thái hóa trị 2+ và 3+ bị oxy hóa, tạo ra các ion Mn4+. Mặc dù các ion Mn3+ ít bị oxy hóa hơn tương đối ổn định trong hệ quang II, Nakamura và đồng nghiệp trước đây đã phát hiện ra rằng chúng không ổn định trong các chất xúc tác oxit mangan tổng hợp có nồng độ pH trung tính.

 Để khắc phục sự không ổn định này, các nhà nghiên cứu đã đẩy nhanh sự phục hồi các ion Mn3+, thường xảy ra khi hỗn hợp nước-Mn2+ mất một proton và một điện tử trong hai bước riêng biệt. Nhóm của Nakamura nhận ra rằng các phân tử hữu cơ hình vòng được gọi là pyridine có thể giúp hai bước này xảy ra đồng thời - một quá trình có khả năng được thúc đẩy bởi các axit amin trong hệ quang II. Nhóm nghiên cứu phát hiện rằng chất xúc tác oxit mangan sản xuất oxy gấp 15 lần ở nồng độ pH trung tính khi được sử dụng kết hợp với một pyridin có tên là trimethylpyridine-2,4,6.

 Nhóm nghiên cứu cũng đã thử nghiệm phản ứng trong nước chứa đơ-tê-ri, gồm một đồng vị hydro nặng hơn so với nước bình thường. Chất xúc tác này tạo ra oxy chậm hơn rất nhiều khi có sự hiện diện của trimethylpyridine-2,4,6, cho thấy loại bỏ một proton từ hỗn hợp nước-Mn2+ là bước quan trọng để xác định tốc độ tổng thể của phản ứng phân tách nước.

 Do pyridine không phù hợp với quy trình tách nước quy mô lớn vì chúng là chất gây ô nhiễm môi trường, nhóm nghiên cứu hy vọng sẽ xác định các phân tử loại bỏ proton thay thế an toàn hơn có thể được cố định vào bề mặt của chất xúc tác oxit mangan để tăng cường hoạt động của nó.