Elektroner i överljudsfart kan ge framtidens solbränsle

Nu har forskare från bland annat Lunds universitet tagit ett steg närmare möjligheten att producera solbränsle med hjälp av konstgjord fotosyntes. I en studie har de lyckats följa elektronernas snabba flygfärd genom en ljusomvandlande molekyl.

Målet med den aktuella studien är att i slutänden komma på hur man med hjälp av solljus lyckas göra bränsle av vatten. Sådan bränsleproduktion är vad som pågår konstant i naturen, genom växternas fotosyntes då vatten och koldioxid omvandlas till biobränsle tack vare solljuset. Världen över försöker forskare därför låna idéer från fotosyntesen för att hitta ett sätt för mänskligheten att producera solbränsle.

– Vår studie visar hur man kan konstruera en molekyl där omvandlingen från ljusenergi till kemisk energi sker så snabbt att ingen energi går förlorad som värme. Det innebär alltså att all energi i ljuset lagras i en molekyl som kemisk energi, säger Villy Sundström, professor i kemisk fysik vid Lunds universitet.

Hittills har människan uppfunnit solceller och solfångare. Solceller omvandlar solenergi till el, och solfångare omvandlar solenergi till värme. Men att producera solbränsle, exempelvis i form av vätgas eller metanol, kräver en helt annan teknik. Tanken är att man med hjälp av solljuset tar elektroner från vatten och använder dem till att omvandla ljusets energi till energirika molekyler, vilka sedan utgör själva ingrediensen i solbränslet.

– En apparat som kan göra detta, en solbränslecell, är en komplicerad historia med ljusinsamlande molekyler och katalysatorer, säger Villy Sundström.

Villy Sundström och hans kollegor har i den aktuella studien skapat och undersökt en särskild molekyl som kan fungera som modell för den typ av kemiska reaktioner som kan utnyttjas i en solbränslecell. Molekylen består av två metallcentra, ett som samlar in ljuset och ett annat som efterliknar katalysatorn där solbränslet produceras. Forskarna har lyckats följa elektronernas väg genom molekylen in i minsta detalj. De mätte tiden det tar för en elektron att röra sig över bryggan mellan de två metallatomerna i molekylen. Det tar en halv pikosekund, vilket är en halv biljondel av en sekund.

– Mer alldagligt uttryckt innebär det att elektronen flyger genom molekylen med en hastighet av cirka fyra kilometer per sekund, alltså i häftig överljudsfart, mer än tio gånger ljudets hastighet, säger Villy Sundström.

Det förvånade forskarna att hastigheten är så hög. Och det förvånade dem dessutom att hastigheten verkar starkt beroende av typen av brygga mellan metallatomerna. I den aktuella studien var hastigheten 100 gånger högre än hos en annan typ av brygga som man jämfört med.

– Detta är första gången någon lyckats följa en så komplex och snabb reaktion och urskilja alla reaktionssteg, säger Villy Sundström om studien som nu publiceras i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.

Text: Lena Björk Blixt

Foto och bild: Catrin Jakobsson