5 Minuten
Proveržis: kelių krūvių saugojimas naudojant šviesą
Kaip ir natūralioje fotosintezėje, naujoji molekulė laikinai kaupia du teigiamus ir du neigiamus krūvius. Nuotr.: Deyanira Geisnæs Schaad
Šveicarijos Bazelio universiteto mokslininkų komanda sukūrė sintetinio tipo molekulę, kuri apšviesta vienu metu gali sukaupti du teigiamus ir du neigiamus krūvius. Darbas, publikuotas žurnale Nature Chemistry, kurį atliko profesorius Oliver Wenger ir doktorantas Mathis Brändlin, yra tarpinė, bet svarbi pažanga link saulės paverčiamos anglies neutralios kuro gamybos, pavyzdžiui vandenilio, metanolio ar sintetinių angliavandenilių.
Fotosintezė augaluose sugeneruoja saulės energiją ir nukreipia ją cheminiams ryšiams — iš anglies dioksido ir vandens susidaro energiją turintys cukrai. Dirbtinė fotosintezė siekia atkartoti šį energijos konvertavimo principą, kad būtų gaminami „saulės kurai“ — degalai, kurių sudeginimas išskiria tik tą pačią CO2 kiekius, kurie buvo sunaudoti jų sintezėje, todėl jie yra anglies neutralūs. Vienas pagrindinių techninių iššūkių yra laikinai saugoti kelis krūvius, kuriuos sukuria fotoniniai procesai, kad jie galėtų dalyvauti daugielektriniuose cheminių reakcijų žingsniuose, pavyzdžiui vandens skilime.
Kaip molekulė sugauja ir saugo krūvius
Modulinė penkių dalių architektūra
Bazelio molekulė yra linijinė penkių funkcinių vienetų grandinė, kur kiekvienas elementas yra pritaikytas konkrečiai funkcijai. Centrinė šviesą sugerianti dalis inicijuoja elektronų pernašą absorbuodama fotoną. Dvi elektronų donorinės dalys viename gale oksiduojasi (įgyja teigiamą krūvį), kai atiduoda elektronus, o dvi elektronų akceptorinės dalys priešingame gale redukuojasi (įgyja neigiamą krūvį), kai priima elektronus. Oksiduotų ir redukuotų vietų erdvinis atskyrimas užkerta kelią greitam rekombinavimui ir leidžia laikinai išsaugoti keturis krūvius.
Toks tarpinis krūvių saugojimas būtinas cheminėms reakcijoms, kurioms reikia kelių elektronų — pavyzdžiui, vandens skaldymui į vandenilį ir deguonį arba CO2 redukcijai į energetiškai turtingas molekules.
Žingsniškas aktyvavimas šviesa ir veikimas esant silpnesnei šviesai
Kad sukauptų keturis krūvius nesunaikindama molekulės ar nesukeldama nekontroliuojamų reakcijų, tyrėjai panaudojo žingsnišką dviejų fotonų metodą. Pirmasis šviesos impulsas sukelia vieną elektronų pernašos etapą, susidaro vienas teigiamas ir vienas neigiamas krūvis, kurie migruoja į priešingus molekulės galus. Antras, laiku atidėtas blyksnis pakartoja procesą, taip išgaunant iš viso du teigiamus ir du neigiamus krūvius, laikomus toje pačioje molekulinėje struktūroje.
"Toks žingsniškas sužadinimas leidžia naudoti ženkliai silpnesnę šviesą. Dėl to mes jau priartėjame prie saulės šviesos intensyvumo", — sakė Mathis Brändlin, pažymėdamas, kad ankstesnės strategijos dažnai reikalavo aukšto intensyvumo lazerio impulsų, kurie yra toli nuo realių saulės apšvietimo sąlygų. Svarbu tai, kad sukaupti krūviai išlieka stabilūs pakankamai ilgai, kad būtų panaudoti vėlesnėms cheminėms transformacijoms.
Pasekmės saulės kurams ir tolesniems tyrimams
Bazelio tyrimas užpildo mechanistinę spragą dirbtinėje fotosintezėje: kaip patikimai sukaupti kelis krūvius ant vienos molekulinės platformos realiomis apšvietimo sąlygomis. Stabilizuoti, erdviškai atskirti krūviai gali būti perduodami į katalizines sritis, kad vyktų daugielektrinės reakcijos, reikalingos kuro gamybai. Nors pati molekulė dar nėra pilna dirbtinės fotosintezės sistema, ji suteikia modulinį dizaino principą, kaip sujungti šviesos sugavimą, krūvių saugojimą ir katalizę.
Išlieka ribotumai. Dabartiniai eksperimentai demonstruoja kontroliuojamą krūvių kaupimą tirpale laboratorinėmis sąlygomis; kitas žingsnis bus tokio tipo krūvių saugojimo motyvų sujungimas su patikimais katalizatoriais vandens oksidacijai arba CO2 redukcijai ir mastelio didinimas iki praktiško efektyvumo. Ilgalaikis fotatsparumas, medžiagų kaštai ir sistemos integracija nulems, ar ši prieiga galės tapti prielaida pramoninio lygio saulės kurų gamybai.
Eksperto įžvalga
Dr. Elena Morales, cheminės inžinerijos specialistė saulės kurams (išgalvota), komentuoja: "Šis darbas yra elegantiškas fotonų valdymo molekuliniu lygiu pavyzdys. Gebėjimas nuosekliai užkrauti krūvius naudojant žemos intensyvumo šviesą yra lemiamas žingsnis pereinant nuo lazerio varomų demonstracijų prie su saulės šviesa suderinamų sistemų. Kitas didelis iššūkis bus sujungti šias krūvių saugyklas su patvariomis katalizinėmis sistemomis, kurios galėtų atlikti reikalaujančią vandens skilimo ar CO2 konversijos chemiją be greito nusidėvėjimo."
Susijusios technologijos ir perspektyvos
Tyrėjai visame pasaulyje nagrinėja papildomas prieigas: puslaidininkinius fotoelektrodus, molekulinius katalizatorius ir hibridines, bioįkvėptas sistemas. Bazelio molekulė prideda perspektyvų dizaino motyvą molekulinei fotochemijai ir gali būti derinama su heterogeniniais katalizatoriais arba integruojama į fotoelektrochemines ląsteles. Pažanga šiose paralelinėse kryptyse didina tikimybę sukurti praktiškas saulės kurų technologijas, prisidedančias prie mažo anglies dioksido šiltnamio efekto energetikos sektoriaus.
Išvados
Bazelio universiteto komanda parodė šviesa aktyvuojamą molekulę, kuri žingsniško dviejų fotonų metodu gali laikinai saugoti du teigiamus ir du neigiamus krūvius. Ši pažanga uždaro svarbią spragą tarp laboratorinės fotochemijos ir funkcionalios dirbtinės fotosintezės, demonstruodama krūvių kaupimą esant gana žemam apšvietimui ir su pakankamu stabilumu tolimesnei cheminių reakcijų grandinei. Nors reikia papildomų darbų prijungiant katalizines reakcijas ir didinant mastelį, tyrimas pateikia aiškų molekulinį strateginį sprendimą, padedantį paversti saulės šviesą anglies neutraliais kurais.
Quelle: sciencedaily
Kommentare