6 دقیقه
پیشرفت: ذخیره‌سازی چند بار با نور
همانند فتوسنتز طبیعی، مولکول جدید به‌صورت موقت دو بار مثبت و دو بار منفی را ذخیره میکند. Credit: Deyanira Geisnæs Schaad
تیمی از پژوهشگران دانشگاه بازل در سوئیس مولکولی سنتتیک طراحی کردهاند که هنگام تابش نور میتواند بهطور همزمان دو بار مثبت و دو بار منفی را انباشت کند. این پژوهش که در Nature Chemistry منتشر شده است و توسط پروفسور اولیور ونگر و پژوهشگر دکتری ماتیاس برِندلین انجام شده، یک پیشرفت میان‌مرحله اما حیاتی در مسیر تبدیل نور خورشید به سوختهای کربن‌خنثی مانند هیدروژن، متانول یا هیدروکربن‌های سنتتیک به‌شمار می‌آید.
فتوسنتز در گیاهان نور خورشید را جذب و آن انرژی را به پیوندهای شیمیایی هدایت میکند و دی‌اکسید کربن و آب را به قندهای پرانرژی تبدیل میکند. فتوسنتز مصنوعی تلاش دارد همان تبدیل انرژی را تقلید کند تا «سوختهای خورشیدی» تولید شوند — سوخت‌هایی که احتراق‌شان تنها همان CO2ای را آزاد میکند که در سنتز اولیه مصرف شده بود و بنابراین کربن‌خنثی محسوب میشوند. یکی از چالش‌های فنی مرکزی، ذخیره موقت چند بار الکتریکی تولیدشده توسط واکنش‌های ناشی از فوتون است تا بتوان از آن‌ها برای مراحل شیمیایی چند الکترونی مانند تجزیه آب استفاده کرد.
چگونه مولکول بارها را جذب و ذخیره میکند
معماری مدولار پنج‌بخشی
مولکول بازل یک مجموعه خطی از پنج زیرواحد عملکردی است که هر کدام برای نقش مشخصی تنظیم شده‌اند. یک بخش مرکزی جذبکننده نور هنگام جذب فوتون انتقال الکترون را آغاز میکند. دو بخش دهنده الکترون در یک انتها هنگام آزادسازی الکترون‌ها اکسیده (دارای بار مثبت) میشوند، در حالی‌که دو بخش گیرنده الکترون در انتهای مقابل هنگام دریافت الکترون‌ها کاهش‌یافته (دارای بار منفی) می‌گردند. جداسازی فضایی سایت‌های اکسیده و کاهش‌یافته از بازترکیب فوری جلوگیری میکند و امکان ذخیره موقت چهار بار را فراهم میآورد.
این ذخیرهٔ میانی بار برای به‌راه انداختن واکنش‌های شیمیایی که به چند الکترون نیاز دارند ضروری است، برای مثال شکافت آب به هیدروژن و اکسیژن یا کاهش CO2 به مولکول‌های پرانرژی.
فعال‌سازی پلهای با نور و عملکرد در نور کم‌شده
برای انباشت چهار بار بدون تخریب مولکول یا ایجاد واکنش‌های کنترل‌نشده، پژوهشگران از رویکرد دو-فوتونی پلهای استفاده کردند. یک پالس نور نخست یک دور انتقال الکترون را تحریک میکند و یک بار مثبت و یک بار منفی تولید می‌شود که به انتهای مخالف مولکول مهاجرت می‌کنند. یک فلش دوم و با تأخیر زمانی این فرآیند را تکرار کرده و در مجموع دو بار مثبت و دو بار منفی را در چارچوب یکسان مولکولی نگه میدارد.
«این تحریک پلهای امکان استفاده از نور بسیار ضعیف‌تر را فراهم میکند. در نتیجه ما اکنون نزدیک به شدت نور خورشید حرکت می‌کنیم،» ماتیاس برِندلین گفت و اشاره کرد که رویکردهای قبلی اغلب نیازمند پالسهای لیزری با شدت بالا بودند که با شرایط واقعی خورشیدی فاصله زیادی داشتند. نکته مهم این است که بارهای ذخیره‌شده به اندازه کافی پایدار می‌مانند تا برای تبدیل‌های شیمیایی بعدی قابل استفاده باشند.
پیامدها برای سوختهای خورشیدی و پژوهش‌های آینده
مطالعه بازل یک شکاف مکانیکی در فتوسنتز مصنوعی را هدف قرار می‌دهد: چگونه می‌توان بهطور قابل‌اعتماد چندین بار را روی یک چارچوب مولکولی واحد تحت تابش واقعی جمع‌آوری کرد. بارهای پایدار و جداشده به‌صورت فضایی می‌توانند به مراکز کاتالیتی انتقال یابند تا واکنش‌های چند الکترونی لازم برای تولید سوخت را راه بیندازند. گرچه خود مولکول هنوز یک سیستم کامل فتوسنتز مصنوعی نیست، اما یک اصل طراحی مدولار برای جفت‌کردن جذب نور، ذخیره بار و کاتالیز ارائه می‌دهد.
محدودیت‌هایی باقی‌مانده‌اند. آزمایش‌های کنونی انباشت کنترل‌شدهٔ بار را در محلول و تحت شرایط آزمایشگاهی نشان می‌دهند؛ یکپارچه‌کردن این ساختارهای ذخیره‌بار با کاتالیستهای مقاوم برای اکسیداسیون آب یا کاهش CO2 و دستیابی به بازده‌های عملی گامهای بعدی هستند. پایداری درازمدت در برابر نور، هزینه مواد و یکپارچهسازی سیستم تعیین خواهد کرد که آیا این رویکرد میتواند زیربنای تولید صنعتی سوختهای خورشیدی باشد یا خیر.
دیدگاه کارشناسی
دکتر النا مورالس، مهندس شیمی متخصص در سوختهای خورشیدی (ساختگی)، می‌گوید: «این کار نمایش زیبایی از مدیریت فوتون در مقیاس مولکولی است. توانایی بارگذاری پلهای بارها با نور کم‌انرژی برای حرکت از نمایش‌های مبتنی بر لیزر به سیستم‌های سازگار با نور خورشید حیاتی است. چالش بزرگ بعدی تلفیق این مخازن بار با کاتالیستهای بادوام است که بتوانند شیمی سخت شکافت آب یا تبدیل CO2 را بدون تخریب سریع انجام دهند.»
فناوری‌های مرتبط و چشم‌انداز
پژوهشگران در سراسر جهان رویکردهای مکملی را بررسی می‌کنند: الکترودهای فتو-نیمه‌هادی، کاتالیستهای مولکولی و سیستم‌های هیبریدی الهام‌گرفته از زیست‌ساختار. مولکول بازل یک الگوی طراحی امیدوارکننده برای شیمی فوتو مولکولی اضافه میکند و میتواند با کاتالیستهای ناهمگن ترکیب یا در سلول‌های فوتوالکتروشیمیایی یکپارچه شود. پیشرفت همزمان در این مسیرهای موازی شانس ارائه فناوری‌های عملی سوخت خورشیدی را افزایش می‌دهد که به اقتصاد انرژی کم‌کربن کمک کنند.
نتیجه‌گیری
تیم دانشگاه بازل مولکولی فعال‌شونده با نور نشان داده است که میتواند با روش دو-فوتونی پلهای به‌صورت موقت دو بار مثبت و دو بار منفی را ذخیره کند. این پیشرفت شکاف کلیدی بین فوتوشیمی آزمایشگاهی و فتوسنتز مصنوعی کاربردی را کم کرده است، زیرا نشان می‌دهد انباشت بار تحت شدت نور نسبتاً کم و با پایداری کافی برای شیمی‌های پسین امکان‌پذیر است. اگرچه کار پیش رو برای اتصال واکنش‌های کاتالیتی و مقیاس‌بندی رویکرد لازم است، این مطالعه یک استراتژی مولکولی روشن برای تبدیل نور خورشید به سوختهای کربن‌خنثی ارائه می‌دهد.
منبع: sciencedaily
.avif)
نظرات