Hvordan jerncarbener lagrer energi fra sollys - og hvorfor de ikke er bedre til det

Fotosensibilisatorer er molekyler, der absorberer sollys og sender denne energi videre for at generere elektricitet eller drive kemiske reaktioner. De er generelt baseret på sjældne, dyre metaller; så opdagelsen af, at jerncarbener, med almindeligt gammelt jern i deres kerne, kan gøre dette, også, udløst en bølge af forskning gennem de seneste år. Men mens stadig mere effektive jerncarbener bliver opdaget, forskere er nødt til at forstå præcis, hvordan disse molekyler fungerer på atomniveau for at konstruere dem til toppræstation.

Nu har forskere brugt en røntgenlaser ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory for at se, hvad der sker, når lys rammer en jerncarben. De opdagede, at det kan reagere på to konkurrerende måder, kun én af dem tillader elektroner at strømme ind i enhederne eller reaktionerne, hvor de er nødvendige. I dette tilfælde, molekylet tog den energiproducerende vej omkring 60 % af tiden. Holdet offentliggjorde deres resultater 31. januar i Naturkommunikation .

I en solcelle, et jerncarben binder sig til halvlederfilmen på cellens overflade med dets jernatom stikker op. Sollys rammer jernatomet og frigiver elektroner, som strømmer ind i carben-tilbehørene. Hvis de forbliver på disse vedhæftede filer længe nok - 10 billiontedele af et sekund eller mere - kan de flytte ind i solcellen og øge dens effektivitet. I kemi, det energiboost, som fotosensibilisatorer giver, hjælper med at drive kemiske reaktioner, men kræver endnu længere opholdstider for elektronerne på carben-vedhæftninger.

For at finde ud af, hvordan dette fungerer, et internationalt hold ledet af forskere fra Stanford PULSE Institute ved SLAC undersøgte prøver af jerncarben med røntgenlaserimpulser fra laboratoriets Linac Coherent Light Source (LCLS). De målte samtidig to separate signaler, der afslører, hvordan molekylets atomkerner bevæger sig, og hvordan dets elektroner bevæger sig ind og ud af jern-carben-bindingerne.

Resultaterne viste, at elektroner blev opbevaret i carben-tilslutningerne længe nok til at udføre nyttigt arbejde omkring 60 % af tiden; resten af ​​tiden vendte de tilbage til jernatomet for tidligt, ikke udrette noget.

PULSEs Kelly Gaffney sagde, at det langsigtede mål med denne forskning er at få tæt på 100 procent af elektronerne til at blive på carbener meget længere, så energien fra lys kan bruges til at drive kemiske reaktioner. At gøre det, forskere skal finde designprincipper til at skræddersy jerncarbenmolekyler til at udføre bestemte opgaver med maksimal effektivitet.