Исследователи из таких институтов, как Лундский университет, сделали шаг вперед к производству солнечного топлива с использованием искусственного фотосинтеза. В новом исследовании они успешно отследили быстрое прохождение электронов через светопреобразующую молекулу.
Конечная цель настоящего исследования - найти способ получения топлива из воды с использованием солнечного света. Это то, что фотосинтез делает все время - растения преобразуют воду и углекислый газ в молекулы, богатые энергией, используя солнечный свет. Поэтому исследователи всего мира пытаются позаимствовать идеи фотосинтеза, чтобы найти способ искусственного производства солнечного топлива.
Наше исследование показывает, как можно сконструировать молекулу, в которой преобразование света в химическую энергию происходит так быстро, что энергия не теряется в виде тепла. Это означает, что вся энергия света запасается в молекула как химическая энергия», - сказал Вилли Сундстрем, профессор химической физики Лундского университета.
До сих пор солнечная энергия использовалась в солнечных элементах и солнечных тепловых коллекторах. Солнечные батареи преобразуют солнечную энергию в электричество, а солнечные тепловые коллекторы преобразуют солнечную энергию в тепло. Однако производство солнечного топлива, например, в виде газообразного водорода или метанола, требует совершенно другой технологии. Идея состоит в том, что солнечный свет можно использовать для извлечения электронов из воды и использования их для преобразования энергии света в богатые энергией молекулы, которые являются составной частью солнечного топлива..
«Устройство, которое может это сделать - солнечный топливный элемент - представляет собой сложную машину с молекулами, собирающими свет, и катализаторами», - сказал Вилли Сундстрём.
В настоящем исследовании профессор Сундстрем и его коллеги разработали и изучили особую молекулу, которая может служить моделью химических реакций, которые можно использовать в солнечном топливном элементе. Молекула состоит из двух металлических центров, один из которых собирает свет, а другой имитирует катализатор, на котором производится солнечное топливо. Исследователям удалось очень подробно отследить путь электронов через молекулу. Они измерили время, за которое электрон пересекает мостик между двумя атомами металла в молекуле. На это уходит половина пикосекунды или половина триллионной доли секунды.
«В повседневном понимании это означает, что электрон пролетает сквозь молекулу со скоростью около четырех километров в секунду, что более чем в десять раз превышает скорость звука», - сказал Вилли Сундстрем..
Исследователи были удивлены высокой скоростью. Другое неожиданное открытие заключалось в том, что скорость сильно зависит от типа мостика между атомами. В этом исследовании скорость была в 100 раз выше, чем при тестировании другого типа моста.
«Впервые кому-либо удалось отследить такую сложную и быструю реакцию и выделить все стадии реакции», - сказал Вилли Сундстрем об исследовании, которое было опубликовано в журнале Nature Communications.
Исследование является совместным проектом исследователей из нескольких отделов Лундского университета, а также из Дании, Германии, Венгрии, Японии и США. Измерения проводились в Японии на рентгеновском ЛСЭ SACLA в Хариме, Япония, одном из двух действующих рентгеновских лазеров на свободных электронах в мире.