5 Minutės
Proveržis: kelių krūvių saugojimas naudojant šviesą
Kaip ir natūralioje fotosintezėje, naujoji molekulė laikinai saugo du teigiamus ir du neigiamus krūvius. Credit: Deyanira Geisnæs Schaad
Šveicarijos Bazelio universiteto tyrėjų grupė sukūrė sintetinę molekulę, kuri apšviesta gali vienu metu sukaupti du teigiamus ir du neigiamus krūvius. Darbas, kurį paskelbė profesorius Oliver Wenger ir daktaro studijų tyrėjas Mathis Brändlin žurnale Nature Chemistry, yra tarpinis, bet svarbus žingsnis link saulės spindulių pavertimo anglies neutraliu kuru, tokiu kaip vandenilis, metanolis ar sintetiniai angliavandeniliai.
Fotosintezė augaluose sugeria saulės šviesą ir nukreipia tą energiją į cheminius ryšius, paverčiant anglies dioksidą ir vandenį energija prisotintais cukrais. Dirbtinė fotosintezė siekia atkartoti šį energijos konvertavimą, kad būtų gaminami „saulės kurai“ — tokie degalai, kurių degimo metu išsiskiria tik tas pats CO2, kuris buvo sunaudotas sintezės metu, todėl jie yra anglies neutralūs. Vienas iš pagrindinių techninių iššūkių yra laikinai saugoti kelis krūvius, susidarančius fotonų varomoje reakcijoje, kad juos būtų galima panaudoti kelių elektronų cheminiams etapams, pavyzdžiui, vandens skaidymui.
Kaip molekulė fiksuoja ir saugo krūvius
Modulinė penkių dalių architektūra
Bazelio molekulė yra linijinė penkių funkcinių vienetų grandinė, kur kiekvienas yra pritaikytas konkrečiai funkcijai. Centrinė šviesą sugerianti dalis inicijuoja elektronų pernašą įsisavinusi fotoną. Du elektronų donorų segmentai viename gale oksiduojasi (įgauna teigiamą krūvį), kai praranda elektronus, o du elektronų akceptoriai priešingame gale redukuojasi (įgauna neigiamą krūvį), kai priima elektronus. Oksiduotų ir redukuotų vietų erdvinis atskyrimas neleidžia jiems iš karto recombinuotis ir leidžia laikinai saugoti keturis krūvius.
Toks tarpinis krūvių saugojimas yra būtinas cheminioms reakcijoms, kurios reikalauja kelių elektronų — pavyzdžiui, vandens skaidymui į vandenilį ir deguonį arba CO2 redukcijai į energija turinčias molekules.
Žingsninė šviesos aktyvacija ir veikimas esant silpnam apšvietimui
Norėdami sukaupti keturis krūvius nesunaikindami molekulės ir nesukeldami nekontroliuojamų reakcijų, tyrėjai panaudojo žingsninį dviejų fotonų metodą. Pirmasis šviesos impulsas sukelia vieną elektronų pernašos etapą, pagaminant vieną teigiamą ir vieną neigiamą krūvį, kurie migruoja į priešingus molekulės galus. Antras, laiku atidėtas blyksnis pakartoja procesą, todėl iš viso toje pačioje molekulinėje struktūroje susidaro du teigiami ir du neigiami krūviai.
„Toks žingsninis sužadinimas leidžia naudoti reikšmingai silpnesnę šviesą. Dėl to mes jau artėjame prie saulės spindulių intensyvumo,“ sakė Mathis Brändlin, pažymėdamas, kad ankstesnės strategijos dažnai reikalavo aukštos intensyvumo lazerio impulsų, kurie toli nuo realių saulės sąlygų. Svarbu, kad saugomi krūviai išlieka pakankamai stabilūs, kad juos būtų galima panaudoti vėlesnėms cheminėms transformacijoms.
Pasekmės saulės kurui ir tolimesniems tyrimams
Bazelio tyrimas užpildo mechanistinę spragą dirbtinėje fotosintezėje: kaip patikimai sukaupti kelis krūvius ant vienos molekulinės atramos esant realioms apšvietimo sąlygoms. Stabilizuoti, erdviškai atskirti krūviai gali būti nukreipti į katalitinius centrus, kad būtų varomos kelių elektronų reakcijos, reikalingos kuro gamybai. Nors pati molekulė dar nėra pilna dirbtinės fotosintezės sistema, ji pateikia modulinį dizaino principą, leidžiantį susieti šviesos sugavimą, krūvių saugojimą ir katalizę.
Iššūkių vis dar yra. Dabartiniai eksperimentai rodo kontroliuojamą krūvių kaupimą tirpale laboratorinėmis sąlygomis; tolesni žingsniai apims tokių krūvių saugojimo motyvų integravimą su tvirtais katalizatoriais vandens oksidacijai ar CO2 redukcijai ir mastelio didinimą iki praktinio efektyvumo. Ilgalaikis fotostabilumas, medžiagų kaina ir sistemos integracija lems, ar šis požiūris gali tapti pagrindu pramoninio masto saulės kurams.
Ekspertų įžvalga
Dr. Elena Morales, cheminė inžinerė, specializuojanti saulės kurų srityje (fikcinė), komentuoja: „Šis darbas yra elegantiškas fotonų valdymo molekuliniame lygyje pavyzdys. Gebėjimas nuosekliai užkrauti krūvius naudojant silpnos intensyvumo šviesą yra kertinis žingsnis pereinant nuo lazerinių demonstracijų prie su saulės šviesa suderinamų sistemų. Kitas didelis iššūkis bus prijungti šiuos krūvių rezervuarus prie patvarių katalizatorių, galinčių atlikti sudėtingą vandens skaidymo ar CO2 konvertavimo chemiją be greito degradavimo.“
Susijusios technologijos ir perspektyvos
Tyrėjai visame pasaulyje nagrinėja papildomus požiūrius: puslaidininkių fotoelektrodus, molekulinius katalizatorius ir hibridines, bioįkvėptas sistemas. Bazelio molekulė prideda perspektyvų dizaino motyvą molekulinei fotochemijai ir galėtų būti derinama su heterogeniniais katalizatoriais arba integruojama į fotoelektrochemines ląsteles. Pažanga šiais paraleliniais keliais didina galimybes sukurti praktiškas saulės kuro technologijas, prisidedančias prie mažo anglies dioksido išmetimo energetikos ekonomikos.
Išvados
Bazelio universiteto komanda parodė šviesa aktyvuojamą molekulę, galinčią laikinai saugoti du teigiamus ir du neigiamus krūvius, naudodama žingsninį dviejų fotonų metodą. Šis pasiekimas sumažina kertinę spragą tarp laboratorinės fotochemijos ir funkcinės dirbtinės fotosintezės, parodydamas krūvių kaupimą esant palyginti žemam apšvietimo intensyvumui ir pakankamam stabilumui tolimesnei chemijai. Nors reikia papildomų darbų prijungiant katalitines reakcijas ir plečiant metodą, tyrimas pateikia aiškią molekulinę strategiją, padedančią paversti saulės šviesą anglies neutraliu kuru.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai