Att lagra solenergi i form av bränsle är något forskare hoppas delvis kan ersätta fossila drivmedel i framtiden. Forskare vid Lunds universitet kan nu ha löst ett långvarigt problem som begränsat utvecklingen av hållbara solbränslen.

Genom att visa hur solenergi kan utnyttjas mer effektivt i järnbaserade system öppnas möjligheten för billigare solbränslen.
– Vi kan nu se mekanismer som tidigare varit dolda, som gör det möjligt för järnbaserade molekyler att föra över laddning mer effektivt till mottagarmolekylerna. Detta kan i praktiken lösa ett av de största hindren för solbränslen med vanliga metaller, säger Petter Persson, kemiforskare vid Lunds universitet.

Det pågår en intensiv jakt efter nya sätt att framställa miljövänliga bränslen som kan bidra till en utfasning av de fossila bränslen som idag dominerar globalt. En lovande strategi är att utveckla katalysatorer som utnyttjar solenergi för att framställa bränslen som grön vätgas.

De senaste åren har betydande framsteg gjorts inom detta område, vilket bland annat lett till utvecklingen av soldrivna katalysatorer baserade på järn och andra vanligt förekommande grundämnen. Trots landvinningarna har omvandlingen av energin från sol till bränsle visat sig vara för ineffektiv.

För att framställa solbränslen som grön vätgas måste de ljusabsorberande molekylerna överföra elektrisk laddning till en mottagarmolekyl. Om överföringen fungerar dåligt går mycket av energin förlorad innan den kan lagras i solbränslet. Även om järn är billigt och miljövänligt har detta problem gjort det svårt att få järnbaserade system att fungera lika effektivt som dyrare system baserade på sällsynta metaller.

Med avancerade beräkningar har forskarna nu kunnat analysera processen på molekylär nivå. Studien visar att en stor del av energin går förlorad eftersom mottagarmolekylerna ofta fastnar vid katalysatorerna innan laddningen hinner föras vidare. Men forskarna upptäckte oväntade mekanismer där mottagarmolekyler kan ta hjälp av omgivande molekyler för att fullfölja laddningsöverföringen. Detta kan markant minska energiförlusterna och öka effektiviteten i solenergisystem som bygger på järn.

– Det var förvånande att omgivningen spelar en så avgörande roll. Våra simuleringar visar flera oväntade sätt som interaktionen med kringliggande molekyler faktiskt underlättar bildandet av energirika produkter, säger Petter Persson.

Detta är ett viktigt steg mot fungerande solbränsleproduktion med vanliga metaller. Studien visar hur det avgörande första steget med laddningsseparation kan optimeras, men fler steg återstår innan processen kan leda till färdiga solbränslen.

– Studien ger nya insikter i hur solenergi kan omvandlas mer effektivt med hjälp av vanliga metaller som järn. På sikt kan detta bidra till utvecklingen av billigare och mer hållbara solbränslen – en viktig pusselbit i den globala energiomställningen, säger Petter Persson.

Studien presenteras som omslagsartikel i den vetenskapliga tidskriften Journal of the American Chemical Society (JACS): ”Understanding Anomalous Cage-Escape Dynamics in Photoredox Processes Driven by a Fe(III) N-Heterocyclic Carbene Complex”