Новая молекула железа может дать более дешевую солнечную энергию

Впервые исследователям удалось создать молекулу железа, которая может функционировать как фотокатализатор для производства топлива, так и в солнечных батареях для производства электроэнергии. Результаты показывают, что молекула железа может заменить более дорогие и более редкие металлы, используемые сегодня.

Некоторые фотокатализаторы и солнечные элементы основаны на технологии, которая включает молекулы, содержащие металлы, известные как комплексы металлов. Задача металлических комплексов в этом контексте заключается в поглощении солнечных лучей и использовании их энергии. Однако металлы в этих молекулах представляют собой серьезную проблему, поскольку они представляют собой редкие и дорогие металлы, такие как рутений, осмий и иридий.

«Наши результаты теперь показывают, что, используя усовершенствованный дизайн молекулы, можно заменить редкие металлы железом, которое распространено в земной коре и, следовательно, дешево», — говорит профессор химии Кеннет Вэрмарк из Университета Лунда в Швеции.

Кеннет Вэрмарк вместе с коллегами долгое время работал над поиском альтернатив дорогим металлам. Исследователи сосредоточили внимание на железе, которое с его шестипроцентной распространенностью в земной коре значительно более дешево по сравнению с редкими металлами. Исследователи создали свои собственные молекулы на основе железа, потенциал которых для использования в солнечной энергетике был доказан в предыдущих исследованиях.

В новом исследовании ученые продвинулись еще на один шаг и разработали новую молекулу на основе железа, способную захватывать и использовать энергию солнечного света в течение достаточно длительного времени, чтобы она реагировала с другой молекулой. Новая молекула железа также имеет способность светиться достаточно долго, чтобы исследователи могли впервые увидеть свет на основе железа невооруженным глазом при комнатной температуре.

«Хороший результат зависит от того, что мы оптимизировали молекулярную структуру вокруг атома железа», — объясняет Петтер Перссон из Университета Лунда.

Исследование опубликовано в журнале Science. Согласно ему, рассматриваемая молекула железа может быть использована в новых типах фотокатализаторов для производства солнечного топлива, либо в виде водорода через разделение воды, либо в виде метанола из двуокиси углерода. Кроме того, новые результаты открывают другие потенциальные области применения молекул железа, например, как материалы в светодиодах.

Что удивило ученых, так это то, что они так быстро достигли хороших результатов. Всего за пять лет им удалось сделать железо интересным для фотохимического применения, по своим свойствам не уступающим лучшим благородным металлам. «Мы полагали, что это займет не менее десяти лет, — говорит Кеннет Вэрмарк.

Kasper Skov Kjær et al. Luminescence and reactivity of a charge-transfer excited iron complex with nanosecond lifetime, Science (2018). DOI: 10.1126/science.aau7160