Исследовательская группа из Базельского университета в Швейцарии разработала новую молекулу по образцу растительного фотосинтеза: под воздействием света она накапливает два положительных и два отрицательных заряда одновременно. Цель исследования — преобразовать солнечный свет в углеродно-нейтральное топливо.
Растения используют энергию солнечного света для преобразования CO2 в богатые энергией молекулы сахара. Этот процесс называется фотосинтезом и лежит в основе практически всей жизни на Земле: животные и люди могут «сжигать» полученные таким образом углеводы и использовать накопленную в них энергию. При этом снова образуется углекислый газ, и цикл замыкается.
Эта модель также может стать ключом к созданию экологически чистого топлива, поскольку исследователи работают над имитацией естественного фотосинтеза и использованием солнечного света для производства высокоэнергетических соединений: солнечного топлива, такого как водород, метанол и синтетический бензин. При сгорании они будут выделять ровно столько углекислого газа, сколько потребовалось для их производства. Другими словами, они будут углеродно-нейтральными.
Молекула с особой структурой
В научном журнале Nature Chemistry профессор Оливер Венгер и его аспирант Матис Брендлин сообщили о важном промежуточном шаге на пути к реализации концепции искусственного фотосинтеза: они разработали специальную молекулу, которая может одновременно накапливать четыре заряда при световом облучении — два положительных и два отрицательных.
Промежуточное накопление нескольких зарядов — важное условие для преобразования солнечного света в химическую энергию: заряды можно использовать для запуска реакций, например для расщепления воды на водород и кислород.
Молекула состоит из пяти последовательно соединенных частей, каждая из которых выполняет свою функцию. С одной стороны молекулы находятся две части, которые высвобождают электроны и в процессе заряжаются положительно. Две другие части на противоположной стороне принимают электроны, в результате чего заряжаются отрицательно. В центре молекулы находится компонент, который улавливает солнечный свет и запускает реакцию (перенос электронов).
Два шага с использованием света
Чтобы создать четыре заряда, исследователи применили поэтапный подход, используя две вспышки света. Первая вспышка света попадает на молекулу и запускает реакцию, в результате которой образуются положительный и отрицательный заряды. Эти заряды перемещаются к противоположным концам молекулы. При второй вспышке света происходит та же реакция, в результате чего молекула получает два положительных и два отрицательных заряда.
Работает при тусклом освещении
«Такое ступенчатое возбуждение позволяет использовать значительно более тусклый свет. В результате мы уже приближаемся к интенсивности солнечного света», — объясняет Брендлин. Для предыдущих исследований требовался очень мощный лазерный свет, что было далеко от идеала искусственного фотосинтеза. «Кроме того, заряды в молекуле остаются стабильными достаточно долго, чтобы их можно было использовать для дальнейших химических реакций».
Тем не менее новая молекула пока не позволяет создать функционирующую систему искусственного фотосинтеза. «Но мы нашли и внедрили важную часть головоломки», — говорит Оливер Венгер. Новые результаты исследования помогают лучше понять процесс переноса электронов, который играет ключевую роль в искусственном фотосинтезе. «Мы надеемся, что это поможет нам приблизиться к новым перспективам в области устойчивой энергетики», — говорит Венгер.