Химики создали молекулу для искусственного фотосинтеза
Химики Базельского университета создали новую молекулу по образцу фотосинтеза растений, о чем рассказали в журнале Nature Chemistry.
Под воздействием света она одновременно накапливает два положительных и два отрицательных заряда. Хотя функционально это далеко не хлорофилл, все же сделан важный шаг к разработке технологий преобразования солнечной энергии в углеродно-нейтральное топливо.
Растения используют энергию солнечного света для преобразования CO₂ в богатые энергией молекулы сахара. Процесс фотосинтеза — основа всей жизни, причем не только растительной: животные и люди могут «сжигают» произведенные таким образом углеводы, используя содержащуюся в них энергию. При этом снова выделяется диоксид углерода, замыкая цикл.
Эта модель также может стать ключом к экологически чистому топливу, поэтому исследователи работают над имитацией естественного фотосинтеза и использованием солнечного света для производства высокоэнергетических соединений — водорода, метанола и синтетического бензина. Количество выделяемой при их сжигании углекислоты ровно то же, что потрачено на производство — то есть такое топливо углеродно-нейтрально.
Молекула со специальной структурой
Необходимое и крайне важное условие фотосинтеза — это перенос множественных зарядов, которым опосредовано преобразование световой энергии в химическую. Под воздействием света новая молекула может одновременно накапливать четыре заряда — два положительных и два отрицательных.
Она состоит из пяти частей, соединенных последовательно, каждая из которых выполняет определенную задачу. С одной стороны молекулы находятся две части, которые высвобождают электроны и заряжаются положительно. Две части с другой стороны захватывают электроны, что придает им отрицательный заряд. Компонент в середине цепочки захватывает фотоны и запускает перенос электронов.
Двухэтапный процесс с использованием света
Для генерации четырех зарядов исследователи использовали ступенчатый подход с двумя вспышками света. Первая вспышка света попадает на молекулу и запускает реакцию, в которой генерируются положительный и отрицательный заряды. Эти заряды перемещаются к противоположным концам молекулы. При второй вспышке света происходит та же реакция, в результате чего молекула содержит два положительных и два отрицательных заряда.
Даже при тусклом свете
«Такое ступенчатое возбуждение позволяет использовать значительно более тусклый свет. В результате мы уже приближаемся к интенсивности солнечного света», — объясняет аспирант Матиас Брэндлин.
В прежних опытах требовался чрезвычайно мощный лазерный свет, который делал искусственный фотосинтез непрактичным.
«Кроме того, заряды в молекуле остаются стабильными достаточно долго, чтобы их можно было использовать для дальнейших химических реакций», — добавляет химик.
Тем не менее, говорить об уже функционирующей системе искусственного фотосинтеза пока преждевременно.
«Но мы определили и реализовали важную часть головоломки», — подчеркивает руководивший исследованием профессор Оливер Венгер.
Это поможет углубить понимание переноса электронов — ключевого этапа фотосинтеза.
«Мы надеемся, что это поможет нам внести вклад в новые перспективы устойчивого энергетического будущего», — заключил профессор.