Ученые приблизились к решению проблемы эффективности железных катализаторов для солнечного топлива

Иллюстрация сложных молекулярных взаимодействий в растворе, изученных с помощью передовых вычислений. Автор: Ирия Болано Лосада

Солнечная энергия, запасенная в виде топлива, — это то, что, по мнению ученых, могло бы в будущем частично заменить ископаемое топливо. Исследователи из Лундского университета в Швеции, возможно, решили давнюю проблему, которая мешала развитию устойчивых солнечных топлив. Если солнечную энергию удастся использовать более эффективно с помощью систем на основе железа, это может открыть путь к более дешевым солнечным топливам.

«Теперь мы можем наблюдать ранее скрытые механизмы, которые позволяют молекулам на основе железа более эффективно передавать заряд молекулам-акцепторам. Это может эффективно устранить одно из самых больших препятствий для производства солнечных топлив с использованием распространенных металлов», — говорит Петтер Перссон, исследователь в области химии из Лундского университета и соавтор исследования, опубликованного в Journal of the American Chemical Society.

Ведутся интенсивные поиски новых способов производства экологически чистого топлива. Они могли бы помочь отказаться от ископаемого топлива, которое в настоящее время доминирует в мировой энергетике. Одна из перспективных стратегий — разработка катализаторов, которые используют солнечную энергию для производства таких видов топлива, как зеленый водород.

В последние годы в этой области был достигнут значительный прогресс, включая разработку катализаторов на солнечной энергии на основе железа и других распространенных элементов. Несмотря на эти достижения, преобразование энергии из солнечной в топливную в системах на основе железа оказалось слишком неэффективным.

Для производства солнечных топлив, таких как зеленый водород, светопоглощающие молекулы должны передавать электрический заряд молекуле-акцептору. Если передача происходит плохо, большая часть энергии теряется, прежде чем ее можно будет запасти в солнечном топливе. Хотя железо является недорогим и экологически чистым, эта проблема затрудняла создание систем на его основе, столь же эффективных, как и более дорогие системы на основе редкоземельных металлов.

Используя передовые вычисления, исследователи теперь смогли проанализировать процесс на молекулярном уровне. Исследование показывает, что большая часть энергии теряется из-за того, что молекулы-акцепторы часто «прилипают» к катализаторам до того, как у заряда есть время для передачи.

Однако исследователи обнаружили неожиданные механизмы, с помощью которых молекулы-акцепторы могут привлекать помощь соседних молекул для завершения передачи заряда. Это может значительно снизить потери энергии и повысить эффективность солнечных энергетических систем на основе железа.

«Было удивительно, что окружающая среда играет такую ключевую роль. Наши симуляции показывают несколько неожиданных путей, с помощью которых взаимодействие с соседними молекулами может облегчить образование богатых энергией продуктов», — говорит Перссон.

Это важный шаг на пути к жизнеспособному производству солнечного топлива с использованием распространенных металлов. Исследование показывает, как можно оптимизировать ключевой первый этап разделения зарядов, но необходимы дальнейшие шаги, прежде чем процесс приведет к готовым солнечным топливам.

«Исследование дает новое понимание того, как солнечная энергия может преобразовываться более эффективно с использованием распространенных металлов, таких как железо. В долгосрочной перспективе это может способствовать разработке более дешевых и устойчивых солнечных топлив — важной части головоломки в глобальном энергетическом переходе», — заключает Перссон.

Больше информации: Iria Bolaño Losada et al, Understanding Anomalous Cage-Escape Dynamics in Photoredox Processes Driven by a Fe(III) N-Heterocyclic Carbene Complex, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c04296

Источник: Lund University