巴塞爾科學(xué)家研制出能儲(chǔ)存四個(gè)光生電荷的分子，為碳中性能源帶來(lái)新希望。

人工光合作用的實(shí)現(xiàn)可能比想象中更近一步。巴塞爾大學(xué)團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種能存儲(chǔ)四個(gè)光生電荷的分子，加速了碳中性燃料的研發(fā)進(jìn)程。在自然界中，植物通過(guò)光合作用捕獲太陽(yáng)能，將二氧化碳轉(zhuǎn)化為富含能量的糖分子。動(dòng)物和人類消耗這些碳水化合物后釋放儲(chǔ)存的能量，并將二氧化碳返回大氣，構(gòu)成了支撐地球生命體系的循環(huán)。

科研人員希望能在實(shí)驗(yàn)室模擬這一自然模式。若能用陽(yáng)光生產(chǎn)氫、甲醇或合成汽油等高能化合物，這些燃料燃燒時(shí)就不會(huì)向大氣額外排放二氧化碳，從而實(shí)現(xiàn)真正的碳中性。

定制化分子結(jié)構(gòu)

由Oliver Wenger教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的分子向該目標(biāo)邁出重要一步。該分子由五個(gè)精密連接的組件構(gòu)成：兩個(gè)單元釋放電子形成正電荷，另外兩個(gè)單元捕獲電子形成負(fù)電荷，中央單元?jiǎng)t吸收陽(yáng)光觸發(fā)電荷轉(zhuǎn)移。

存儲(chǔ)四個(gè)電荷不僅是技術(shù)突破，更解決了人工光合作用的核心難題。制備太陽(yáng)能燃料所需的許多反應(yīng)（例如將水分解為氫和氧）都需要多個(gè)電子參與。若無(wú)法同時(shí)累積并穩(wěn)定多個(gè)電荷，這些反應(yīng)將難以高效進(jìn)行。

通過(guò)兩次光閃光激發(fā)，研究人員成功分步生成四個(gè)電荷。第一次閃光產(chǎn)生一正一負(fù)電荷并轉(zhuǎn)移至分子兩端，第二次閃光重復(fù)該過(guò)程，最終形成兩正兩負(fù)的電荷結(jié)構(gòu)。"這種分步激發(fā)方式使得使用較弱光源成為可能，其強(qiáng)度已接近太陽(yáng)光照度"，博士生Mathis Br?ndlin解釋道。此前研究需要遠(yuǎn)超實(shí)際應(yīng)用強(qiáng)度的激光，且新分子中的電荷能保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性以供后續(xù)化學(xué)反應(yīng)使用。

臨時(shí)存儲(chǔ)多重電荷的能力對(duì)太陽(yáng)能燃料生產(chǎn)至關(guān)重要，這些電荷可驅(qū)動(dòng)水分解制氫或合成碳中性燃料所需的化學(xué)反應(yīng)。

拼圖的重要一塊

Wenger強(qiáng)調(diào)，雖然該分子尚未構(gòu)成完整的人工光合作用系統(tǒng)，但已成為關(guān)鍵基礎(chǔ)模塊。"我們展示了如何用陽(yáng)光高效存儲(chǔ)多重電荷，理解這些電子轉(zhuǎn)移過(guò)程讓我們更接近將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的可持續(xù)燃料。"這項(xiàng)研究也凸顯了分子設(shè)計(jì)如何將人工光合作用從理論推向?qū)嶋H應(yīng)用。此類突破或?qū)⒅厮苋祟愇磥?lái)生產(chǎn)和消費(fèi)能源的方式。

該研究成果已發(fā)表于《自然·化學(xué)》期刊。

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