Επανάσταση στη χημεία: Νέο σύστημα μαγγανίου για βιώσιμη ενέργεια!

Επανάσταση στη χημεία: Νέο σύστημα μαγγανίου για βιώσιμη ενέργεια!

Ερευνητικές ομάδες σε όλο τον κόσμο έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στη μίμηση της φυσικής φωτοσύνθεσης και οι νέες εξελίξεις στη φωτοχημεία παρέχουν εντυπωσιακά στοιχεία για αυτό. Μια ομάδα από Πανεπιστήμιο Johannes Gutenberg Mainz έχει αναπτύξει ένα νέο μεταλλικό σύμπλεγμα με βάση το μαγγάνιο που φέρνει επανάσταση στη διάρκεια ζωής των διεγερμένων καταστάσεων και ανοίγει νέες δυνατότητες για βιώσιμες εφαρμογές.

Το φως χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο ως πηγή ενέργειας για χημικές αντιδράσεις, αλλά οι προηγούμενοι καταλύτες βασίζονταν συχνά σε σπάνια και ακριβά μέταλλα όπως το ρουθήνιο, το όσμιο ή το ιρίδιο. Αντίθετα, το μαγγάνιο δεν είναι μόνο φθηνό, αλλά και πάνω από 100.000 φορές πιο άφθονο από το ρουθήνιο. Το νέο σύμπλεγμα μαγγανίου έχει επίσης εξαιρετική διάρκεια ζωής πάνω από 190 νανοδευτερόλεπτα.

Επαναστατικές ιδιότητες του νέου συμπλέγματος μαγγανίου

Το σύμπλοκο μαγγανίου παρασκευάστηκε με μια απλή σύνθεση ενός σταδίου από εμπορικά διαθέσιμα αρχικά υλικά. Αυτή η σύνθεση συνδυάζει ένα άχρωμο άλας μαγγανίου με ένα άχρωμο πρόσδεμα, με αποτέλεσμα ένα βαθύ μωβ χρώμα. Αυτή η αξιοσημείωτη ιδιότητα επιτρέπει την ισχυρή απορρόφηση φωτός και την υψηλή απόδοση χρήσης του φωτός. Το σύμπλεγμα μπορεί να μεταφέρει ηλεκτρόνια σε άλλα μόρια, κάτι που φάνηκε ξεκάθαρα από την ανίχνευση του αρχικού προϊόντος της φωτοαντίδρασης.

Η ανακάλυψη της ερευνητικής ομάδας διευρύνει τις δυνατότητες βιώσιμης φωτοχημείας και έχει πιθανές εφαρμογές στην παραγωγή υδρογόνου, μια κρίσιμη περιοχή της ανανεώσιμης ενέργειας. Ο στόχος είναι ο αποτελεσματικός διαχωρισμός των μορίων του νερού χρησιμοποιώντας ηλιακή ενέργεια και η παραγωγή χημικών πηγών ενέργειας.

Καινοτομία στην τεχνητή φωτοσύνθεση

Ταυτόχρονα, οι επιστήμονες εργάζονται για Ινστιτούτο Max Planck για τη Μετατροπή Χημικής Ενέργειας σχετικά με την τεχνητή μίμηση της φυσικής φωτοσύνθεσης για την ανάπτυξη καθαρών πηγών ενέργειας. Η εστίαση είναι στη διάσπαση του νερού που προκαλείται από το φως, μια διαδικασία που συμβαίνει στη φύση αλλά είναι τεχνικά πολύπλοκη στην αναπαραγωγή. Η ομάδα έχει επιλύσει με επιτυχία τη δομή ενός συμπλέγματος μαγγανίου-ασβεστίου που διασπά το νερό και παράγει οξυγόνο.

Ο καταλύτης αποτελείται από τέσσερα άτομα μαγγανίου και ένα άτομο ασβεστίου, τα οποία είναι ενσωματωμένα σε μια πρωτεΐνη μεμβράνης του φωτοσυστήματος II. Μέσω ενός κύκλου που απελευθερώνει πρωτόνια, ηλεκτρόνια και μοριακό οξυγόνο, αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να οδηγήσει στην ανάπτυξη οικονομικά αποδοτικών, βιο-εμπνευσμένων καταλυτών που μειώνουν την εξάρτηση από τα ορυκτά καύσιμα, ιδιαίτερα στον τομέα των μεταφορών.

Η πρόκληση της απομόνωσης και του χαρακτηρισμού της δομής του συμπλέγματος μαγγανίου-ασβεστίου ξεπεράστηκε με χρήση φασματοσκοπίας συντονισμού ηλεκτρονίων σπιν (ESR) τελευταίας τεχνολογίας και νέων θεωρητικών μεθόδων. Αυτά τα ευρήματα μπορούν να χρησιμεύσουν ως σχέδιο για μελλοντικά τεχνητά συστήματα που αποθηκεύουν την ηλιακή ενέργεια ως χημικά διαθέσιμη ενέργεια.

Νόημα και προοπτική

Οι εξελίξεις και στα δύο Ινστιτούτο Mainz καθώς και στις Ινστιτούτο Μαξ Πλανκ είναι ρηξικέλευθες. Οι ερευνητές εργάζονται για να βελτιστοποιήσουν περαιτέρω τις καταλυτικές διαδικασίες, ιδιαίτερα την οξείδωση του νερού, η οποία είναι μια κεντρική χημική αντίδραση στη φωτοσύνθεση. Η χρήση κοινών και φθηνών μετάλλων όπως το μαγγάνιο θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά το κόστος παραγωγής του υδρογόνου και άλλων ηλιακών καυσίμων.

Η προοπτική μιας αποτελεσματικής τεχνητής φωτοσύνθεσης, που λύνει αρκετά προβλήματα παραγωγής ενέργειας και μείωσης του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα, όχι μόνο γίνεται πιο ρεαλιστική, αλλά αποτελεί και ένα βήμα προς την αειφόρο παραγωγή ενέργειας.