Revolusjon i kjemi: Nytt mangansystem for bærekraftig energi!

Revolusjon i kjemi: Nytt mangansystem for bærekraftig energi!

Forskningsteam over hele verden har gjort betydelige fremskritt i å etterligne naturlig fotosyntese, og ny utvikling innen fotokjemi gir imponerende bevis på dette. Et team av Johannes Gutenberg University Mainz har utviklet et nytt metallkompleks basert på mangan som revolusjonerer levetiden til eksiterte tilstander og åpner for nye muligheter for bærekraftige applikasjoner.

Lys blir i økende grad brukt som energikilde for kjemiske reaksjoner, men tidligere katalysatorer var ofte basert på sjeldne og kostbare metaller som ruthenium, osmium eller iridium. I kontrast er mangan ikke bare billig, men også over 100 000 ganger mer rikelig enn rutenium. Det nye mangankomplekset har også en eksepsjonell levetid på over 190 nanosekunder.

Revolusjonerende egenskaper til det nye mangankomplekset

Mangankomplekset ble fremstilt ved en enkel ett-trinns syntese fra kommersielt tilgjengelige utgangsmaterialer. Denne syntesen kombinerer et fargeløst mangansalt med en fargeløs ligand, noe som resulterer i en dyp lilla farge. Denne bemerkelsesverdige egenskapen muliggjør sterk lysabsorpsjon og høy lysutnyttelseseffektivitet. Komplekset kan overføre elektroner til andre molekyler, noe som tydelig ble demonstrert ved påvisning av det første produktet av fotoreaksjonen.

Forskergruppens oppdagelse utvider mulighetene for bærekraftig fotokjemi og har potensielle anvendelser innen hydrogenproduksjon, et kritisk område for fornybar energi. Målet er å effektivt splitte vannmolekyler ved hjelp av solenergi og produsere kjemiske energikilder.

Innovasjon innen kunstig fotosyntese

Samtidig jobber forskerne med Max Planck Institute for Chemical Energy Conversion på kunstig imitasjon av naturlig fotosyntese for å utvikle rene energikilder. Fokuset er på lysindusert vannsplitting, en prosess som skjer i naturen, men som er teknisk kompleks å reprodusere. Teamet har løst strukturen til et mangan-kalsiumkompleks som deler vann og produserer oksygen.

Katalysatoren består av fire manganatomer og ett kalsiumatom, som er innebygd i et membranprotein av fotosystem II. Gjennom en syklus som frigjør protoner, elektroner og molekylært oksygen, kan denne tilnærmingen føre til utvikling av kostnadseffektive, bioinspirerte katalysatorer som reduserer avhengigheten av fossilt brensel, spesielt i transportsektoren.

Utfordringen med å isolere og karakterisere strukturen til mangan-kalsiumkomplekset ble overvunnet ved hjelp av avansert elektronspinnresonans (ESR) spektroskopi og nye teoretiske metoder. Disse funnene kan tjene som en blåkopi for fremtidige kunstige systemer som lagrer solenergi som kjemisk tilgjengelig energi.

Mening og syn

Utviklingen på begge Institutt Mainz så vel som på Max Planck-instituttet er banebrytende. Forskere jobber med å optimalisere de katalytiske prosessene ytterligere, spesielt oksidasjonen av vann, som er en sentral kjemisk reaksjon i fotosyntesen. Bruk av vanlige og rimelige metaller som mangan kan redusere produksjonskostnadene for hydrogen og andre solbrenseler betydelig.

Utsiktene til effektiv kunstig fotosyntese, som løser flere problemer med energiproduksjon og reduksjon av karbondioksid i atmosfæren, blir ikke bare mer realistisk, men er også et skritt mot bærekraftig energiproduksjon.