Forskare har för första gången utvecklat en enda molekyl som kan absorbera solljus effektivt och även fungera som en katalysator för att omvandla solenergi till väte, ett rent alternativ till bränsle för saker som gasdrivna fordon.

Denna nya molekyl samlar energi från hela det synliga spektrumet, och kan utnyttja mer än 50 % mer solenergi än vad nuvarande solceller kan. Fyndet kan hjälpa människor att övergå från fossila bränslen och mot energikällor som inte bidrar till klimatförändringar.

Forskarna beskrev sina resultat i en studie som publicerades idag i Naturkemi . Forskargruppen leddes av Claudia Turro, en kemiprofessor och chef för Ohio State University Center for Chemical and Biophysical Dynamics.

"Hela idén är att vi kan använda fotoner från solen och omvandla den till väte. Enkelt uttryckt, vi sparar energin från solljus och lagrar den i kemiska bindningar så att den kan användas vid ett senare tillfälle, sa Turro.

Fotoner är elementarpartiklar av solljus som innehåller energi.

Forskarna visade, för första gången, att det är möjligt att samla energi från hela det synliga spektrumet av solljus – inklusive lågenergiinfraröd, en del av solspektrumet som tidigare varit svårt att samla in – och omvandla det, snabbt och effektivt, till väte. Väte är ett rent bränsle, vilket betyder att det inte producerar kol eller koldioxid som en biprodukt av dess användning.

"Vad som får det att fungera är att systemet kan försätta molekylen i ett exciterat tillstånd, där den absorberar fotonen och kan lagra två elektroner för att göra väte, ", sa Turro. "Denna lagring av två elektroner i en enda molekyl som härrör från två fotoner, och använda dem tillsammans för att göra väte, är utan motstycke."

Att förvandla energi från solen till, säga, bränsle för en bil, först krävs en mekanism för att samla in energin. Den energin måste sedan omvandlas till ett bränsle. Omvandlingen kräver något som kallas en katalysator - en sak som påskyndar en kemisk reaktion, möjliggör omvandling från solenergi till användbar energi som väte.

De flesta tidigare försök att samla in solenergi och omvandla den till väte har fokuserat på solljusets våglängder med högre energi—tänk ultravioletta strålar, till exempel.

Tidigare försök har också förlitat sig på katalysatorer som är byggda av två eller flera molekyler, som utbyter elektroner – energi – när de tillverkar bränsle från solenergi. Men energi går förlorad i utbytet, gör dessa multimolekylsystem mindre effektiva.

De få försök som förlitade sig på en enmolekylär katalysator var också ineffektiva, Turro sa, delvis för att de inte samlade energi från hela det synliga spektrumet av solljus, och delvis på grund av att själva katalysatorerna bröts ned snabbt.

Turros forskargrupp kom på hur man gör en katalysator av bara en molekyl - en form av grundämnet rodium - vilket innebär att mindre energi går förlorad, Hon sa. Och de kom på hur man samlar in energi från infraröd till ultraviolent – ​​hela det synliga spektrumet. Systemet som denna forskargrupp designat är nästan 25 gånger effektivare med lågenergi nära-infrarött ljus än tidigare enmolekylära system som arbetar med ultravioletta fotoner, enligt studien.

I studien, forskarna använde lysdioder för att skina ljus på sura lösningar som innehåller den aktiva molekylen. När de gjorde det, de fann att väte producerades.

"Jag tror att anledningen till att det fungerar är att molekylen är svår att oxidera, ", sa hon. "Och vi måste ha förnybar energi. Föreställ dig bara om vi kunde använda solljus för vår energi istället för kol eller gas eller olja, vad vi kan göra för att ta itu med klimatförändringarna."

Innan forskargruppens upptäckt kan användas i verkliga tillämpningar, Turro sa, det finns fortfarande mycket arbete kvar att göra. Rodium är en sällsynt metall och det är dyrt att tillverka katalysatorer från rodium. Teamet arbetar på att förbättra denna molekyl för att producera väte under en längre tid och arbetar med att bygga katalysatorn av billigare material.