Швейцарские ученые из Базельского университета провели исследование разработала молекулу, созданную по образцу фотосинтеза растений: под воздействием света она накапливает два положительных и два отрицательных заряда одновременно. Цель состоит в том, чтобы преобразовывать солнечный свет в углеродно-нейтральное топливо.
Растения используют энергию солнечного света для преобразования CO 2 в богатые энергией молекулы сахара. Этот процесс называется фотосинтезом и лежит в основе практически всей жизни: животные и люди могут снова «сжигать» полученные таким образом углеводы и использовать накопленную в них энергию. При этом снова выделяется углекислый газ, замыкая цикл.
Предлагаемая модель способна стать прорывом в создании экологически чистого топлива. Ученые стремятся воспроизвести естественный процесс фотосинтеза и использовать энергию солнечного света для производства высокоэнергетических соединений, то есть солнечного топлива, например, водорода, метанола и синтетического бензина. При их сгорании будет выделяться такое же количество углекислого газа, которое было затрачено на производство топлива, что делает их углеродно-нейтральными.
В научном журнале Nature Chemistry профессор Оливер Венгер сообщил о важном промежуточном этапе на пути к созданию искусственного фотосинтеза: он разработали особую молекулу, которая может одновременно накапливать 4 заряда под воздействием света — 2 положительных и 2 отрицательных.
Для преобразования солнечной энергии в химическую необходима возможность временного удержания нескольких зарядов, которые могут быть задействованы в химических реакциях, таких как разложение воды на водород и кислород.
Молекула включает в себя пять взаимосвязанных элементов, каждый из которых отвечает за свою роль. На одной стороне расположены две части, отдающие электроны и приобретающие положительный заряд. Две другие части, находящиеся на противоположной стороне, принимают электроны, становясь отрицательно заряженными. В центре молекулы ученые поместили компонент, предназначенный для поглощения солнечного света и инициирования реакции (переноса электронов).
Для получения четырех зарядов ученые использовали метод последовательного воздействия, основанный на применении двух световых импульсов. Первый импульс воздействует на молекулу, инициируя реакцию, приводящую к формированию положительного и отрицательного зарядов. Образовавшиеся заряды мигрируют к противоположным сторонам молекулы. При воздействии второго светового импульса происходит аналогичная реакция, и молекула получает два положительных и два отрицательных заряда.
«Постепенное стимулирование позволяет применять свет гораздо меньшей интенсивности. Благодаря этому достигается уровень, сопоставимый с солнечным светом, – об этом сообщает ученый. Для проведения предыдущих экспериментов требовался очень мощный лазер, что не соответствовало идее искусственного фотосинтеза. Также, заряды, возникающие в молекуле, сохраняют стабильность достаточно долго, что позволяет использовать их для последующих химических превращений».
Несмотря на это, новая молекула пока не привела к созданию полноценной системы искусственного фотосинтеза. «Однако нам удалось выявить и интегрировать важный элемент этой сложной задачи», – отмечает Оливер Венгер. «Полученные результаты способствуют более глубокому пониманию процесса переноса электронов, который играет главную роль в искусственном фотосинтезе. Мы рассчитываем, что это позволит открыть новые возможности для развития устойчивой энергетики», – добавляет Венгер.
[Фото: Дейянира Гейснэс Шаад / Университет Базеля ]