Revolūcija ķīmijā: jauna mangāna sistēma ilgtspējīgai enerģijai!

Revolūcija ķīmijā: jauna mangāna sistēma ilgtspējīgai enerģijai!

Pētnieku grupas visā pasaulē ir panākušas ievērojamu progresu dabiskās fotosintēzes atdarināšanā, un jauni sasniegumi fotoķīmijā sniedz iespaidīgus pierādījumus par to. Komanda no Maincas Johannesa Gūtenberga universitāte ir izstrādājis jaunu metālu kompleksu, kura pamatā ir mangāns, kas maina satrauktu stāvokļu kalpošanas laiku un paver jaunas iespējas ilgtspējīgiem lietojumiem.

Gaisma arvien vairāk tiek izmantota kā enerģijas avots ķīmiskām reakcijām, taču iepriekšējie katalizatori bieži bija balstīti uz retiem un dārgiem metāliem, piemēram, rutēniju, osmiju vai irīdiju. Turpretim mangāns ir ne tikai lēts, bet arī vairāk nekā 100 000 reižu vairāk nekā rutēnijs. Jaunajam mangāna kompleksam ir arī izcils kalpošanas laiks, kas pārsniedz 190 nanosekundes.

Jaunā mangāna kompleksa revolucionārās īpašības

Mangāna komplekss tika sagatavots ar vienkāršu vienpakāpes sintēzi no komerciāli pieejamiem izejmateriāliem. Šī sintēze apvieno bezkrāsainu mangāna sāli ar bezkrāsainu ligandu, iegūstot dziļi purpursarkanu krāsu. Šī ievērojamā īpašība nodrošina spēcīgu gaismas absorbciju un augstu gaismas izmantošanas efektivitāti. Komplekss var pārnest elektronus uz citām molekulām, ko skaidri pierādīja fotoreakcijas sākotnējā produkta noteikšana.

Pētniecības grupas atklājums paplašina ilgtspējīgas fotoķīmijas iespējas, un tam ir potenciāls pielietojums ūdeņraža ražošanā, kas ir svarīga atjaunojamās enerģijas joma. Mērķis ir efektīvi sadalīt ūdens molekulas, izmantojot saules enerģiju, un ražot ķīmiskos enerģijas avotus.

Inovācijas mākslīgajā fotosintēzē

Tajā pašā laikā zinātnieki strādā pie Maksa Planka Ķīmiskās enerģijas pārveidošanas institūts par dabiskās fotosintēzes mākslīgo imitāciju, lai izstrādātu tīrus enerģijas avotus. Galvenā uzmanība tiek pievērsta gaismas izraisītam ūdens šķelšanās procesam, kas notiek dabā, bet ir tehniski sarežģīti reproducēt. Komanda ir veiksmīgi atrisinājusi mangāna-kalcija kompleksa struktūru, kas sadala ūdeni un ražo skābekli.

Katalizators sastāv no četriem mangāna atomiem un viena kalcija atoma, kas ir iestrādāti fotosistēmas II membrānas proteīnā. Izmantojot ciklu, kas atbrīvo protonus, elektronus un molekulāro skābekli, šī pieeja varētu novest pie rentablu, bioloģiski iedvesmotu katalizatoru izstrādes, kas samazina atkarību no fosilā kurināmā, jo īpaši transporta nozarē.

Izaicinājums izolēt un raksturot mangāna-kalcija kompleksa struktūru tika pārvarēts, izmantojot vismodernāko elektronu spin rezonanses (ESR) spektroskopiju un jaunas teorētiskās metodes. Šie atklājumi var kalpot kā plāns nākotnes mākslīgajām sistēmām, kas uzglabā saules enerģiju kā ķīmiski pieejamu enerģiju.

Nozīme un perspektīva

Notikumi abās jomās Maincas institūts kā arī tālāk Maksa Planka institūts ir revolucionāras. Pētnieki strādā, lai vēl vairāk optimizētu katalītiskos procesus, jo īpaši ūdens oksidēšanu, kas ir galvenā ķīmiskā reakcija fotosintēzē. Parasto un lētu metālu, piemēram, mangāna, izmantošana varētu ievērojami samazināt ūdeņraža un citu saules enerģijas veidu ražošanas izmaksas.

Efektīvas mākslīgās fotosintēzes perspektīva, kas atrisina vairākas enerģijas ražošanas un oglekļa dioksīda samazināšanas problēmas atmosfērā, ne tikai kļūst reālāka, bet arī ir solis ceļā uz ilgtspējīgu enerģijas ražošanu.