Badacze z Uniwersytetu w Bazylei dokonali ciekawego odkrycia, które może zmienić tę sytuację. Opracowana przez nich cząsteczka potrafi magazynować jednocześnie cztery ładunki elektryczne pod wpływem światła o intensywności zbliżonej do słonecznego. To ważny krok w kierunku produkcji wodoru, metanolu i innych paliw neutralnych węglowo.
Pięcioczęściowa struktura molekularna
Podstawą odkrycia jest tak zwana pentada molekularna – cząsteczka składająca się z pięciu połączonych elementów. Dwie zewnętrzne części uwalniają elektrony i stają się dodatnio naładowane, dwie inne przyjmują te elektrony i nabierają ładunku ujemnego, a centralna część wychwytuje światło słoneczne i uruchamia cały proces.
Ta architektura molekularna pozwala na osiągnięcie 37% wydajności kwantowej przy tworzeniu fotoproduktu magazynującego około 3,0 elektronowolta energii. Ładunki utrzymują stabilność przez ponad 100 nanosekund, co wystarcza do wykorzystania w dalszych reakcjach chemicznych.
Czytaj także: Sztuczna fotosynteza w służbie ludzkości. Tak powstaje czyste paliwo przyszłości
Co istotne, proces generowania czterech ładunków przebiega stopniowo dzięki dwóm kolejnym błyskom światła. Każdy foton absorbowany przez centralną część fotosensybilizatora przyczynia się do akumulacji kolejnych ładunków.
Działanie przy słabym świetle
Najważniejszą innowacją szwajcarskich badaczy jest strategia sekwencyjnej absorpcji fotonów. W przeciwieństwie do wcześniejszych metod wymagających bardzo intensywnego oświetlenia, nowy system działa przy natężeniu światła pięć rzędów wielkości niższym od porównywalnych rozwiązań.
Dwustopniowe wzbudzanie umożliwia wykorzystanie światła o intensywności zbliżonej do naturalnego promieniowania słonecznego. Stan rozdzielenia ładunku osiąga niezwykłą stabilność – ładunki pozostają rozdzielone przez 120 mikrosekund na odległość około 4,4 nanometra. W świecie reakcji molekularnych to wystarczająco dużo czasu na przeprowadzenie użytecznych przemian chemicznych.
Przełomowość tego podejścia polega na odejściu od metod wymagających jednoczesnego wzbudzania wielu jednostek absorbujących światło. Jeden fotosensybilizator pracuje sekwencyjnie, co znacznie upraszcza cały system.
Perspektywy praktycznego zastosowania
Chociaż szwajcarscy naukowcy nie stworzyli jeszcze w pełni funkcjonalnego systemu sztucznej fotosyntezy, ich odkrycie stanowi ważny element układanki. Przejściowe magazynowanie wielu ładunków jest warunkiem koniecznym do przeprowadzania reakcji takich jak rozszczepienie wody na wodór i tlen czy przekształcanie dwutlenku węgla w użyteczne związki chemiczne.
Publikacja w prestiżowym periodyku Nature Chemistry potwierdza wagę odkrycia dla społeczności naukowej. Badania te znacząco poprawiają zrozumienie transferów elektronów – procesów kluczowych dla każdego systemu sztucznej fotosyntezy.
Czytaj także: Sztuczna fotosynteza wydajniejsza od naturalnej. Różnica jest kolosalna
Perspektywy praktycznego zastosowania wydają się obiecujące, choć należy podchodzić do nich z umiarkowanym optymizmem. System może potencjalnie służyć do produkcji czystego wodoru jako paliwa dla pojazdów, metanolu do magazynowania energii czy nawet syntetycznej benzyny neutralnej pod względem emisji CO2. Wszystko to przy wykorzystaniu jedynie światła słonecznego jako źródła energii.
Rozwój tej technologii mógłby przyczynić się do powstania zrównoważonej przyszłości energetycznej, gdzie paliwa kopalne zastąpiłyby czyste alternatywy produkowane bezpośrednio ze światła słonecznego. Choć do komercjalizacji jeszcze daleko, fundament pod tę potencjalną zmianę właśnie powstaje w laboratoriach Uniwersytetu w Bazylei.