Подкрепям Портал 12!
Портал 12 е алтернативна медия. Подкрепете ни за повече материали, видео и лекции!
Виж повече
Изследователи от Университета в Базел съобщиха за молекула, проектирана по образец на растителната фотосинтеза, която под въздействие на светлина натрупва едновременно четири заряда – два положителни и два отрицателни. Това е ключова стъпка към т.нар. слънчеви горива (водород, метанол, синтетичен бензин), които биха били въглеродно неутрални при изгаряне.В природата фотосинтезата превръща CO₂ в енергийно богати захари, които организмите „изгарят“, затваряйки въглеродния цикъл. За да имитираме този процес изкуствено и да получаваме горива от слънчева светлина, са нужни многоелектронни реакции – но фотохимичните стъпки по правило прехвърлят само по един електрон. Затова физико-химиците от години търсят начини светлината да „зарежда“ молекули с повече от един електрон/дупка, т.е. да се акумулират заряди преди каталитичния етап (разцепване на вода, редукция на CO₂ и др.). Новата молекула адресира именно този фундаментален проблем.
Как работи молекулата „батерия“
Екипът на проф. Оливър Венгер и докторанта Матис Брендлин създава петчленна (донор–фотосенсибилизатор–акцептор–…–донор/акцептор) молекула, в която всеки фрагмент има конкретна роля. Двата елемента в единия край отдават електрони и стават положително заредени; двата в другия край приемат електрони и стават отрицателно заредени. В центъра стои фотосенсибилизаторът, който улавя светлина и стартира преноса на електрони. Резултатът е пространствено разделено и стабилизирано натрупване на два положителни и два отрицателни заряда. unibas.ch
Двоен „светлинен тласък“
Зареждането става на две стъпки с два светлинни импулса. Първият импулс създава по един + и – заряд, които „се разтичват“ към противоположните краища на молекулата. Вторият импулс повтаря процеса и така системата вече държи четири заряда. Критичното тук е, че стъпковото възбуждане позволява работа при много по-слаба светлина, близка до интензитета на естественото слънце – за разлика от по-ранни експерименти, изискващи мощни лазери. Освен това зарядите се запазват достатъчно дълго, за да задвижат последващи химични реакции.
В статия в Nature Chemistry авторите описват молекулна „пентада“ (donor–photosensitizer–acceptor…), в която абсорбцията на светлина води до обратимо натрупване на два положителни и два отрицателни заряда – без жертвени редокс-реагенти. Полученият фотопродукт се формира с общ квантов добив ~37%, съхранява ~3.0 eV енергия и има живот над 100 ns; дълго-живеещият междинен разделен заряд достига микросекунди, което е благоприятно за бавните каталитични стъпки. Това е рядък пример как последователното поглъщане на два фотона може да доведе до продуктивно натрупване на заряди при ниска осветеност.
Какво може да последва?
- Разцепване на вода до водород и кислород, използвайки натрупаните заряди като „двигател“ на реакцията.
- Редукция на CO₂ до течни енергийни носители (метанол, синтетичен бензин).
- Интеграция с катализатори и електроди, за да се премине от моделна молекула към работещ фотокаталитичен модул.
Сами по себе си авторите подчертават, че това не е още функционираща изкуствена фотосинтеза, а „липсващото парче от пъзела“ – дизайн-принцип и доказателство, че натрупване на четири заряда е възможно с реалистична светлина.
Къде е пробивът спрямо досегашните подходи?
Многоелектронна фотохимия в чисто молекулна система – без опора на частици/повърхности и без жертвени реагенти. 2) Последователно възбуждане при слаба светлина, което доближава лабораторната схема до истинска слънчева осветеност. 3) Дизайн на пентада с донори/акцептори, разположени така, че обратната рекомбинация на заряд е кинетично неблагоприятна спрямо желаното зареждане.
Какво означава това за слънчевите горива?
Ако подобни молекули се свържат с подходящи катализатори за окисление на вода и редукция на CO₂, ще може да се произвеждат въглеродно неутрални горива. При изгаряне те ще отделят толкова CO₂, колкото е бил нужен за синтеза им – затворен и управляван въглероден цикъл. Пътят напред включва повишаване на стабилността, мащабируемостта и ефективната връзка с каталитични центрове/електроди.
Прессъобщение на Университета в Базел (25 август 2025).
