Wie Eisencarbene Energie aus Sonnenlicht speichern – und Solarenergie effizienter machen könnten

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Eisencarbene speichern Energie aus Sonnenlicht

Experimente bei SLAC zeigten, dass ein kostengünstiges Photosensibilisatormolekül, Eisencarben, auf zwei konkurrierende Arten reagieren kann, wenn es von Licht getroffen wird. Nur einer dieser Wege (rechts) lässt Elektronen in Geräte oder chemische Reaktionen fließen, wo sie benötigt werden. Die Moleküle nahmen diesen Energie erzeugenden Weg in etwa 60% der Fälle. Bildnachweis: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory

Diese kostengünstigen Photosensibilisatoren könnten die Herstellung von Solarenergie und Chemikalien effizienter machen. Experimente bei SLAC bieten Einblicke in ihre Funktionsweise.

Photosensibilisatoren sind Moleküle, die Sonnenlicht absorbieren und diese Energie weitergeben, um Elektrizität zu erzeugen oder chemische Reaktionen anzutreiben. Sie basieren im Allgemeinen auf seltenen, teuren Metallen. Die Entdeckung, dass Eisencarbene mit einfachem alten Eisen in ihren Kernen dies ebenfalls können, löste in den letzten Jahren eine Welle von Forschungen aus. Während jedoch immer effizientere Eisencarbene entdeckt werden, müssen Wissenschaftler genau verstehen, wie diese Moleküle auf atomarer Ebene funktionieren, um sie für Spitzenleistungen zu konstruieren.

Jetzt haben Forscher im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums einen Röntgenlaser verwendet, um zu beobachten, was passiert, wenn Licht auf ein Eisencarben trifft. Sie entdeckten, dass es auf zwei konkurrierende Arten reagieren kann, von denen nur eine Elektronen in die Geräte oder Reaktionen fließen lässt, wo sie benötigt werden. In diesem Fall nahm das Molekül in etwa 60% der Fälle den Weg der Energieerzeugung ein. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 31. Januar 2020 in Naturkommunikation.

Um herauszufinden, wie dies funktioniert, untersuchte ein internationales Team unter der Leitung von Forschern des Stanford PULSE Institute am SLAC Proben von Eisencarben mit Röntgenlaserpulsen von der Linac Coherent Light Source (LCLS) des Labors. Sie haben gleichzeitig zwei separate Signale gemessen, die zeigen, wie sich die Atomkerne des Moleküls bewegen und wie sich seine Elektronen in die Eisen-Carben-Bindungen hinein und aus diesen heraus bewegen.

Die Ergebnisse zeigten, dass Elektronen in den Carbenanhängen lange genug gespeichert waren, um in etwa 60% der Fälle nützliche Arbeit zu leisten; den Rest der Zeit kehrten sie zum Eisen zurück Atom zu früh, nichts zu erreichen.

Kelly Gaffney von PULSE sagte, das langfristige Ziel dieser Forschung sei es, nahezu 100% der Elektronen dazu zu bringen, viel länger auf Carbenen zu bleiben, damit die Energie aus Licht verwendet werden kann, um chemische Reaktionen anzutreiben. Dazu müssen Wissenschaftler Konstruktionsprinzipien für die Anpassung von Eisencarbenmolekülen finden, um bestimmte Aufgaben mit maximaler Effizienz auszuführen.

Referenz: “Schwingungswellenpaketdynamik in Fe-Carben-Photosensibilisator, bestimmt mit Femtosekunden-Röntgenemission und -streuung” von Kristjan Kunnus, Morgane Vacher, Tobias CB Harlang, Kasper S. Kjær, Kristoffer Haldrup, Elisa Biasin, Tim B. van Driel, Mátyás Pápai Pavel Chabera, Yizhu Liu, Hideyuki Tatsuno, Cornelia Timm, Erik Källman, Mickaël Delcey, Robert W. Hartsock, Marco E. Reinhard, Sergey Koroidov, Mads G. Laursen, Frederik B. Hansen, Peter Vester, Morten Christensen, Lise Sandberg , Zoltán Németh, Dorottya Sárosiné Szemes, Éva Bajnóczi, Roberto Alonso-Mori, James M. Glownia, Silke Nelson, Marcin Sikorski, Dimosthenis Sokaras, Henrik T. Lemke, Sophie E. Canton, Klaus B. Møller, Martin M. Nielsen, György Vankó, Kenneth Wärnmark, Villy Sundström, Petter Persson, Marcus Lundberg, Jens Uhlig und Kelly J. Gaffney, 31. Januar 2020, Naturkommunikation.
DOI: 10.1038 / s41467-020-14468-w

Der PULSE-Postdoktorand Kristjan Kunnus leitete die Analyse für diese Studie, die am LCLS und an der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) des SLAC, beide Benutzereinrichtungen des DOE Office of Science, durchgeführt wurde. Forscher der Universität Lund in Schweden bereiteten die Proben für die Analyse vor, Wissenschaftler der Universität Uppsala in Schweden, der Technischen Universität Dänemark, der Universität Kopenhagen, des Wigner-Forschungszentrums für Physik und ELI-ALPS, der ELI-HU Non-Profit Ltd. in Ungarn und Auch das Deutsche Elektronen-Synchrotron (DESY) in Deutschland trug zur Forschung bei. Die Hauptfinanzierung erfolgte durch das DOE Office of Science.

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