Ledningsband-medierade multipla elektronöverföringar för fotokatalys
Forskningsprojekt , 2012 – 2015

På ett dygn strålar solen in mer energi till jorden på en timme än vad mänskligheten gör av med under ett helt år. Om vi kan ta tillvara bara en bråkdel av denna energi för att driva processer som annars skulle kräva exempelvis kolbaserad eller kärnkraftsprodcuerad el finns stora samhälleliga vinster att göra, eftersom solenergin finns där alldeles oavsett om vi väljer att försöka använda den eller inte. Stora forskningsresurser satsas på att försöka göra solceller som kan producera elektricitet likväl som solljusdrivna processer som kan producera vätgas från vatten och på så vis förse oss med ett bränsle som kan användas för transporter. Många viktiga processer, inklusive att producera vätgas från vatten med hjälp av solljus, kräver multipla elektronöverföringsreaktioner, det vill säga reaktioner där mer än en elektron förflyttas från en elektrondonator till en elektronacceptor, tex en katalytiskt aktiv molekyl. En annan viktig reaktion som kräver fler-elektronöverföringar för att ge stabila produkter är reduktion av koldioxid. Multielektronöverföringar är svåra att åstadkomma i syntetiska system, även om naturen ger många exempel på att det kan fungera om rätt förutsättningar råder, exempelvis vid optimerat pH. Dock saknar vi ännu den grundläggande förståelsen för hur dessa processer går till och därmed vet vi inte heller hur de bäst kan optimeras. Den föreslagna forskningen syftar till att skapa en grundläggande förståelse och kunskap om multipla elektronöverföringsprocesser samtidigt som den syftar till att visa att det är möjligt att åstadkomma fotokatalyserad reduktion av koldioxid. Det första steget syftar till att visa att det är möjligt att generera det katalytiskt aktiva tillståndet av kända och välkaraktäriserade katalysatorer med hjälp av UV-ljus, eftersom de flesta intressanta katalysatorer inte själva absorberar särskilt mycket synligt ljus. Genom att använda ett elektronlagrande material, som exempelvis nanokristallin titandixoid, kan man förhoppningsvis generera de elektronrika tillstånden hos katalysatorn. Väldigt lite är känt om dessa processer och därför krävs det grundläggande karaktärisering av de här systemen så att vi kan förstå och optimera dem. Nästa steg handlar om att göra samma sak som beskrivits ovan, fast med synligt ljus. För att åstadkomma det måste reaktionen initieras genom att en molekyl som absorberar synligt ljus kan skicka elektroner till titandioxiden som i sin tur kan skicka elektroner till katalysatorn. Denna process kommer sannolikt att kräva mycket tid i optimeringssteget eftersom effektiviteten i varje enskild process måste vara hög för att sluteffekten ska bli hög nog. För att få detta att fungera på lång sikt krävs också att molekylerna som absorberar det synliga ljuset är väl anpassade för detta ändamål. Därför är en del i den föreslagna forskningen inriktad på att designa och karaktärisera nya sådana färgämnen, så kallade sensibiliserare, så att de absorberar så mycket solljus som möjligt och också att de har kapacitet för att exciteras två gånger och då ge två elektroner till katalysatorn, så att den kan bli reducerad till sitt aktiva tillstånd. I sista steget så ska resultaten från de tidigare delarna av projektet användas för att konstruera ett system som kan absorbera synligt ljus, och skicka flera elektroner till en katalysator, antingen direkt eller via tex en halvledare så att dess katalytiskt aktiva tillstånd kan genereras, och slutligen visa att de katalytiska processerna kan ske.

Deltagare

Maria Abrahamsson (kontakt)

Docent vid Chalmers, Kemi och kemiteknik, Kemi och biokemi, Fysikalisk kemi

Finansiering

Vetenskapsrådet (VR)

Finansierar Chalmers deltagande under 2012–2015

Mer information

Senast uppdaterat

2015-09-03