Rewolucja w chemii: Nowy system manganu dla zrównoważonej energii!

Rewolucja w chemii: Nowy system manganu dla zrównoważonej energii!

Zespoły badawcze na całym świecie poczyniły znaczne postępy w naśladowaniu naturalnej fotosyntezy, a nowe osiągnięcia w fotochemii dostarczają na to imponujących dowodów. Zespół Uniwersytet Jana Gutenberga w Moguncji opracował nowatorski kompleks metali na bazie manganu, który rewolucjonizuje czas życia stanów wzbudzonych i otwiera nowe możliwości zrównoważonych zastosowań.

Światło jest coraz częściej wykorzystywane jako źródło energii w reakcjach chemicznych, ale poprzednie katalizatory często opierały się na rzadkich i drogich metalach, takich jak ruten, osm czy iryd. Natomiast mangan jest nie tylko niedrogi, ale także występuje w ponad 100 000 razy większych ilościach niż ruten. Nowy kompleks manganu charakteryzuje się także wyjątkową żywotnością wynoszącą ponad 190 nanosekund.

Rewolucyjne właściwości nowego kompleksu manganu

Kompleks manganu wytworzono w drodze prostej jednoetapowej syntezy z dostępnych na rynku materiałów wyjściowych. Synteza ta łączy bezbarwną sól manganową z bezbarwnym ligandem, co daje ciemnofioletowy kolor. Ta niezwykła właściwość umożliwia silną absorpcję światła i wysoką efektywność wykorzystania światła. Kompleks może przenosić elektrony na inne cząsteczki, co dobitnie wykazała detekcja początkowego produktu fotoreakcji.

Odkrycie zespołu badawczego poszerza możliwości zrównoważonej fotochemii i ma potencjalne zastosowania w produkcji wodoru, kluczowym obszarze energii odnawialnej. Celem jest efektywne rozbicie cząsteczek wody przy użyciu energii słonecznej i wytworzenie chemicznych źródeł energii.

Innowacja w sztucznej fotosyntezie

Jednocześnie naukowcy pracują nad Instytut Maxa Plancka ds. Konwersji Energii Chemicznej na sztucznej imitacji naturalnej fotosyntezy w celu opracowania czystych źródeł energii. Skupiono się na rozszczepianiu wody pod wpływem światła – procesie zachodzącym w przyrodzie, ale jego odtworzenie jest technicznie skomplikowane. Zespołowi udało się rozwikłać strukturę kompleksu manganu i wapnia, który rozkłada wodę i wytwarza tlen.

Katalizator składa się z czterech atomów manganu i jednego atomu wapnia, które są osadzone w białku błonowym fotosystemu II. Dzięki cyklowi uwalniającemu protony, elektrony i tlen cząsteczkowy podejście to może doprowadzić do opracowania opłacalnych katalizatorów inspirowanych biologią, które zmniejszają zależność od paliw kopalnych, szczególnie w sektorze transportu.

Wyzwanie polegające na wyizolowaniu i scharakteryzowaniu struktury kompleksu manganu i wapnia zostało pokonane przy użyciu najnowocześniejszej spektroskopii elektronowego rezonansu spinowego (ESR) i nowych metod teoretycznych. Odkrycia te mogą posłużyć jako plan przyszłych sztucznych systemów magazynujących energię słoneczną w postaci energii dostępnej chemicznie.

Znaczenie i perspektywa

Rozwój sytuacji w obu przypadkach Instytut Moguncja jak i dalej Instytut Maxa Plancka są przełomowe. Naukowcy pracują nad dalszą optymalizacją procesów katalitycznych, zwłaszcza utleniania wody, które jest główną reakcją chemiczną w procesie fotosyntezy. Zastosowanie powszechnych i niedrogich metali, takich jak mangan, mogłoby znacznie obniżyć koszty produkcji wodoru i innych paliw słonecznych.

Perspektywa skutecznej sztucznej fotosyntezy, która rozwiąże szereg problemów wytwarzania energii i redukcji dwutlenku węgla w atmosferze, nie tylko staje się bardziej realna, ale stanowi także krok w kierunku zrównoważonej produkcji energii.