Forskere finder en måde at udnytte hele spektret af sollys

Forskere har for første gang udviklet et enkelt molekyle, der kan absorbere sollys effektivt og også fungere som en katalysator til at omdanne solenergi til brint, et rent alternativ til brændstof til ting som gasdrevne køretøjer.

Dette nye molekyle opsamler energi fra hele det synlige spektrum, og kan udnytte mere end 50 % mere solenergi end nuværende solceller kan. Fundet kan hjælpe mennesker med at gå væk fra fossile brændstoffer og mod energikilder, der ikke bidrager til klimaændringer.

Forskerne skitserede deres resultater i en undersøgelse offentliggjort i dag i Naturkemi . Forskerholdet blev ledet af Claudia Turro, en kemiprofessor og direktør for Ohio State University Center for Chemical and Biophysical Dynamics.

"Hele ideen er, at vi kan bruge fotoner fra solen og omdanne den til brint. For at sige det enkelt, vi sparer energien fra sollys og lagrer den i kemiske bindinger, så den kan bruges på et senere tidspunkt, " sagde Turro.

Fotoner er elementære partikler af sollys, der indeholder energi.

Forskerne viste, for første gang, at det er muligt at indsamle energi fra hele det synlige spektrum af sollys – inklusive lavenergi infrarød, en del af solspektret, der tidligere havde været vanskeligt at indsamle – og transformere det, hurtigt og effektivt, til brint. Brint er et rent brændstof, hvilket betyder, at det ikke producerer kulstof eller kuldioxid som et biprodukt af dets brug.

"Det, der får det til at fungere, er, at systemet er i stand til at sætte molekylet i en exciteret tilstand, hvor den absorberer fotonen og er i stand til at lagre to elektroner for at lave brint, " sagde Turro. "Denne lagring af to elektroner i et enkelt molekyle afledt af to fotoner, og bruge dem sammen til at lave brint, er uden fortilfælde."

At omdanne energi fra solen til, sige, brændstof til en bil, kræver først en mekanisme til at opsamle energien. Den energi skal så omdannes til et brændstof. Omdannelsen kræver noget, der kaldes en katalysator - en ting, der fremskynder en kemisk reaktion, muliggør konvertering fra solenergi til brugbar energi som brint.

De fleste tidligere forsøg på at indsamle solenergi og omdanne den til brint har fokuseret på sollys med højere energi-bølgelængder - tænk på ultraviolette stråler, for eksempel.

Tidligere forsøg har også været afhængige af katalysatorer, der er bygget af to eller flere molekyler, som udveksler elektroner - energi - når de laver brændstof fra solenergi. Men energi går tabt i udvekslingen, gør disse multi-molekyle systemer mindre effektive.

De få forsøg, der var afhængige af en enkelt-molekyle katalysator var også ineffektive, Turro sagde, dels fordi de ikke opsamlede energi fra hele det synlige spektrum af sollys, og til dels fordi selve katalysatorerne blev nedbrudt hurtigt.

Turros forskerhold fandt ud af, hvordan man laver en katalysator ud af kun et molekyle - en form for grundstoffet rhodium - hvilket betyder, at mindre energi går tabt, hun sagde. Og de fandt ud af, hvordan man indsamler energi fra infrarød til ultravoldelig - hele det synlige spektrum. Systemet, som dette forskerhold har designet, er næsten 25 gange mere effektivt med lavenergi nær-infrarødt lys end tidligere enkeltmolekylesystemer, der opererer med ultraviolette fotoner, ifølge undersøgelsen.

I undersøgelsen, forskerne brugte LED'er til at skinne lys på syreopløsninger indeholdende det aktive molekyle. Da de gjorde, de fandt ud af, at der blev produceret brint.

"Jeg tror, ​​grunden til, at det virker, er, at molekylet er svært at oxidere, " sagde hun. "Og vi skal have vedvarende energi. Forestil dig, hvis vi kunne bruge sollys til vores energi i stedet for kul eller gas eller olie, hvad vi kunne gøre for at imødegå klimaændringer."

Inden forskerholdets resultater kan sættes i anvendelse i den virkelige verden, Turro sagde, der er stadig meget arbejde at gøre. Rhodium er et sjældent metal, og det er dyrt at fremstille katalysatorer ud fra rhodium. Holdet arbejder på at forbedre dette molekyle til at producere brint over en længere periode og arbejder på at bygge katalysatoren ud af billigere materialer.