Revolution inom kemin: Nytt mangansystem för hållbar energi!

Revolution inom kemin: Nytt mangansystem för hållbar energi!

Forskarlag runt om i världen har gjort betydande framsteg i att efterlikna naturlig fotosyntes, och ny utveckling inom fotokemi ger imponerande bevis på detta. Ett team av Johannes Gutenberg University Mainz har utvecklat ett nytt metallkomplex baserat på mangan som revolutionerar livslängden för upphetsade tillstånd och öppnar upp nya möjligheter för hållbara tillämpningar.

Ljus används alltmer som energikälla för kemiska reaktioner, men tidigare katalysatorer var ofta baserade på sällsynta och dyra metaller som rutenium, osmium eller iridium. Däremot är mangan inte bara billigt, utan också över 100 000 gånger mer rikligt än rutenium. Det nya mangankomplexet har också en exceptionell livslängd på över 190 nanosekunder.

Revolutionerande egenskaper hos det nya mangankomplexet

Mangankomplexet framställdes genom en enkel enstegssyntes från kommersiellt tillgängliga utgångsmaterial. Denna syntes kombinerar ett färglöst mangansalt med en färglös ligand, vilket resulterar i en djupt lila färg. Denna anmärkningsvärda egenskap möjliggör stark ljusabsorption och hög ljusutnyttjandeeffektivitet. Komplexet kan överföra elektroner till andra molekyler, vilket tydligt visades genom detekteringen av den initiala produkten av fotoreaktionen.

Forskargruppens upptäckt utökar möjligheterna för hållbar fotokemi och har potentiella tillämpningar inom väteproduktion, ett kritiskt område för förnybar energi. Målet är att effektivt dela upp vattenmolekyler med hjälp av solenergi och producera kemiska energikällor.

Innovation inom artificiell fotosyntes

Samtidigt arbetar forskare med Max Planck-institutet för kemisk energiomvandling om artificiell imitation av naturlig fotosyntes för att utveckla rena energikällor. Fokus ligger på ljusinducerad vattenklyvning, en process som sker i naturen men är tekniskt komplex att reproducera. Teamet har framgångsrikt löst strukturen av ett mangan-kalciumkomplex som delar vatten och producerar syre.

Katalysatorn består av fyra manganatomer och en kalciumatom, som är inbäddade i ett membranprotein av fotosystem II. Genom en cykel som frigör protoner, elektroner och molekylärt syre kan detta tillvägagångssätt leda till utvecklingen av kostnadseffektiva, bioinspirerade katalysatorer som minskar beroendet av fossila bränslen, särskilt inom transportsektorn.

Utmaningen med att isolera och karakterisera strukturen av mangan-kalciumkomplexet övervanns med hjälp av den senaste elektronspinresonansspektroskopi (ESR) och nya teoretiska metoder. Dessa fynd kan fungera som en plan för framtida konstgjorda system som lagrar solenergi som kemiskt tillgänglig energi.

Mening och synsätt

Utvecklingen på båda Institutet Mainz såväl som på Max Planck-institutet är banbrytande. Forskare arbetar för att ytterligare optimera de katalytiska processerna, särskilt oxidationen av vatten, som är en central kemisk reaktion i fotosyntesen. Användningen av vanliga och billiga metaller som mangan kan avsevärt minska produktionskostnaderna för väte och andra solbränslen.

Utsikten till effektiv artificiell fotosyntes, som löser flera problem med energiproduktion och minskning av koldioxid i atmosfären, blir inte bara mer realistisk, utan är också ett steg mot hållbar energiproduktion.