Zespół badawczy z Uniwersytetu w Bazylei w Szwajcarii opracował nową cząsteczkę wzorowaną na fotosyntezie roślin: pod wpływem światła przechowuje jednocześnie dwie dodatnie i dwie ujemne ładunki. Celem jest przekształcenie energii słonecznej w paliwa o zerowej emisji węgla.
Rośliny wykorzystują energię światła słonecznego do przekształcania CO2 w energetycznie bogate cząsteczki cukru. Proces ten nazywa się fotosyntezą i stanowi podstawę praktycznie całego życia: zwierzęta i ludzie mogą „spalić” w ten sposób wyprodukowane węglowodany i wykorzystać przechowywaną w nich energię. Ponownie wytwarzają w ten sposób dwutlenek węgla, zamykając tym samym cykl.
Ten model może również być kluczem do wytwarzania ekologicznych paliw, ponieważ badacze pracują nad naśladowaniem naturalnej fotosyntezy i wykorzystaniem energii słonecznej do wytworzenia wysokoenergetycznych związków: paliw słonecznych, takich jak wodór, metanol i syntetyczna benzyna. Po spaleniu wytwarzałyby tylko tyle dwutlenku węgla, ile było potrzebne do ich wytworzenia. Innymi słowy, byłyby neutralne pod względem emisji węgla.
Cząsteczka o specjalnej strukturze
Profesor Oliver Wenger i jego doktorant Mathis Brändlin opublikowali teraz w czasopiśmie naukowym Nature Chemistry ważny krok w kierunku realizacji tej wizji sztucznej fotosyntezy: opracowali specjalną cząsteczkę, która pod wpływem światła może jednocześnie przechowywać cztery ładunki – dwa dodatnie i dwa ujemne.
Przechowywanie wielu ładunków jednocześnie jest ważnym warunkiem wstępnym do przekształcania energii słonecznej w energię chemiczną: ładunki mogą być wykorzystane do napędzania reakcji – na przykład do rozdzielenia wody na wodór i tlen.
Cząsteczka składa się z pięciu części połączonych w serię, z których każda pełni określone zadanie. Jedno zakończenie cząsteczki ma dwie części, które uwalniają elektrony i w tym procesie nabierają ładunku dodatniego. Dwie na drugim końcu przyjmują elektrony, co powoduje, że nabierają ładunku ujemnego. W środku chemicy umieścili składnik, który pochłania światło słoneczne i rozpoczyna reakcję (transfer elektronów).
Dwa kroki przy użyciu światła
Aby wygenerować cztery ładunki, badacze zastosowali podejście stopniowe przy użyciu dwóch błysków światła. Pierwszy błysk światła uderza w cząsteczkę i wywołuje reakcję, w wyniku której powstaje ładunek dodatni i ujemny. Te ładunki przemieszczają się na zewnątrz do przeciwnych końców cząsteczki. Dzięki drugiemu błyskowi światła ta sama reakcja zachodzi ponownie, dzięki czemu cząsteczka zawiera dwie dodatnie i dwie ujemne ładunki.
Działa w słabym świetle
„To stopniowe wzbudzenie pozwala na korzystanie z znacznie słabszego światła. Dzięki temu zbliżamy się już do intensywności światła słonecznego” – wyjaśnia Brändlin. Wcześniejsze badania wymagały niezwykle silnego światła laserowego, co było dalekie od wizji sztucznej fotosyntezy. „Ponadto ładunki w cząsteczce pozostają stabilne wystarczająco długo, aby być wykorzystane do kolejnych reakcji chemicznych.”
Niemniej jednak nowa cząsteczka nie stworzyła jeszcze funkcjonującego systemu sztucznej fotosyntezy. „Ale zidentyfikowaliśmy i wdrożyliśmy ważny element układanki” – mówi Oliver Wenger. Nowe ustalenia z badania pomagają zrozumieć transfer elektronów, który jest kluczowy dla sztucznej fotosyntezy. „Mamy nadzieję, że to pomoże nam przyczynić się do nowych perspektyw dla zrównoważonej przyszłości energetycznej” – dodaje Wenger.
