AP09058000 – Исследование каталитического механизма и свойств материалов для расщепления воды в процессе естественного и искусственного фотосинтеза

Цель проекта: Целью проекта является изучение свойств материалов и выяснение атомистических принципов каталитического процесса расщепления воды в естественном и искусственном фотосинтезе. Объектами исследования являются водоокисляющий комплекс (ВОК) фотосистемы 2 (ФС 2), синтетические комплексы для искусственного фотосинтеза.

Актуальность: На сегодняшний день наиболее интересным и более других повторяющим. структурные и спектроскопические свойства ВОК является синтетический комплекс  [Mn4CaO4 (ButCO2)8 (ButCO2H)2(py)], полученный группой профессора Жанга [14]. Металлический кластер данного синтетического комплекса наиболее точно отражает топологию и электронную структуру ВОК и имеет Mn4, связанный с CaMnO3 кубоидом (рис.3). Будут изучены спектры разностной колебательной спектроскопии в S2-S1 состояниях цикла Кока, будет исследовано влияние таких свойств как окислительное состояние металла, его координационное число, виды лигандов, эффект Яна-Теллера и направление оси его действия на характеристические частоты колебаний карбоксильных групп и Mn-O колебаний. Настоящий проект направлен на понимание механизма расщепления воды, что может способствовать полному моделированию каталитических реакций в природных и искусственных комплексах, а также приведет к проектированию и разработке устойчивых устройств искусственного фотосинтеза и солнечных топливных систем.

Научный руководитель: Доктор Ph.D., Тыченгулова Алия Жанаткызы

Полученные результаты: В ходе НИР за 2021–2023 годы проведено комплексное исследование спектроскопических, структурных и магнитных свойств синтетических и природных комплексов фотосистемы II. Выполнен анализ ИК-спектров с использованием квантово-химических методов, что позволило корректно интерпретировать колебательные моды и определить оптимальные параметры расчетных моделей. Исследованы изменения спектроскопических характеристик ВОК в различных состояниях цикла Кока с применением современных методов моделирования, включая QM/MM MD. Установлены ключевые факторы, влияющие на колебательные спектры, и выявлены различия между синтетическими и природными комплексами. Разработаны новые алгоритмы анализа спектров и методики моделирования процессов фотоактивации и формирования оксо-мостиков. Проведен анализ структурной динамики и механизмов образования O–O связи с учетом влияния белковой среды. Полученные результаты расширяют понимание механизмов каталитического расщепления воды и могут быть использованы при создании эффективных синтетических аналогов.

Список публикаций с ссылками на них

1. Yerezhep D., Tychengulova A., Sokolov D., Aldiyarov A. A Multifaceted Approach for Cryogenic Waste Tire Recycling // Polymers. – 2021. – Vol. 13, No. 15. – P. 2494. – DOI: https://doi.org/10.3390/polym13152494.
2. Aldiyarov A., Tychengulova A., Yerezhep D., Ismail A. Vibrational Spectroscopy of Ethanol Molecules Isolated in a Nitrogen Matrix. – Singapore: Springer, 2022. – (Advanced Topics in Science and Technology in China). – DOI: https://doi.org/10.1007/978-981-99-6128-3_124.
3. Тыченгулова А., Катпаева К. Исследование начальной стадии фотоактивации в катализаторах на основе Mn // Доклады Национальной академии наук Республики Казахстан. – 2023. – № 347(3). – С. 58–70. – DOI: https://doi.org/10.32014/2023.2518-1483.225.
4. Tychengulova A., Katpayeva K., Baurzhan A., Ibragimova S., Yerezhep D., Golikov O., Sokolov D., Aldiyarov A. Laboratory studies of the clathrate hydrate formation in the carbon dioxide–water mixture under vacuum conditions // Materials. – 2024. – DOI: https://doi.org/10.1021/acsomega.4c08342.