Järn i stället för ädelmetaller: Ny mekanism kan göra solbränslen billigare

Studien, publicerad i Journal of the American Chemical Society, fokuserar på det första steget i produktionen av solbränslen: att ljusenergin omvandlas till en elektrisk laddning och överförs från en ljusabsorberande molekyl till en mottagarmolekyl. Tidigare har järnbaserade system visat sig ineffektiva i detta steg – men den nya studien visar hur förlusterna kan minskas.

– Våra beräkningar visar att laddningen kan föras över effektivt även i järnbaserade system, om man tar hänsyn till hur omgivande molekyler och motjoner påverkar processen, säger Petter Persson, kemiforskare vid Lunds universitet.

Det är särskilt interaktionen mellan den laddade molekylen och dess omgivning som visat sig avgörande. I vissa lösningsmedel, som diklormetan, uppstår stabila mellanformer – till exempel dimerer eller laddningspar med motjoner – som gör att laddningen hinner lämna systemet innan den går förlorad genom rekombination. Det här kan bana väg för soldrivna katalysatorer som bygger på järn, snarare än dyrare metaller som rutenium eller iridium.

Målet på sikt är att kunna framställa bränslen som exempelvis grön vätgas med hjälp av solenergi. I dag kräver de mest effektiva systemen sällsynta och dyra metaller, vilket är en begränsning både miljömässigt och ekonomiskt.

– Att kunna använda jordartsmetaller som järn öppnar för billigare och mer tillgänglig teknik. Vår studie visar en möjlig väg dit, men det återstår flera steg innan tekniken kan omsättas praktiskt, säger Petter Persson.

Forskarna har använt en kombination av molekylärdynamiska simuleringar och kvantkemiska beräkningar för att analysera laddningsöverföringen på nanoskalan. Modellen bygger på ett järnkomplex med karbenligander, som reagerar med en donormolekyl (dimetylanilin) i lösning. De visar att det inte bara är molekylerna i sig som avgör om laddningen kan överföras – utan även hur molekylerna rör sig, interagerar och påverkas av lösningsmedel och motjoner.

Studien har genomförts av forskare vid Lunds universitet och finansierats av bland andra Vetenskapsrådet och Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.

Så fungerar laddningsöverföringen i solbränslesystem:

I järnbaserade system sker ofta en snabb rekombination – elektronen “faller tillbaka” innan laddningen hunnit utnyttjas, vilket gör systemet ineffektivt.

Ny mekanism: Intermolekylära interaktioner bromsar förlusten
Forskarna visar att DMA•⁺ kan stabiliseras på två sätt:

• Genom att bilda dimerer eller trimerer med andra DMA-molekyler, vilket delokaliserar laddningen och sänker risken för rekombination.
• Genom att bilda laddningspar med motjonen PF₆⁻, vilket hjälper till att separera laddningarna och fördröjer återkombination.

Detta ökar chansen att laddningen hinner lämna molekylkomplexet – en process kallad cage escape – vilket är en förutsättning för att energin ska kunna lagras i form av bränsle.

Steg 1: Ljusexcitation
När det järnbaserade komplexet [Fe(III)(phtmeimb)₂]⁺ absorberar ljus, hamnar det i ett exciterat tillstånd med en förhöjd energi – en så kallad LMCT-konfiguration (ligand-to-metal charge transfer).

Steg 2: Elektronöverföring till donator
Den exciterade komplexmolekylen reagerar med en elektronrik donator, i det här fallet dimetylanilin (DMA), och en elektron överförs. Det bildas då en reducerad metallkomplex (Fe(II)) och en oxiderad donator (DMA•⁺), en laddningsseparerad konfiguration.

Läs artikeln i sin helhet