一个研究团队研制出一种受植物启发的分子，能够利用阳光存储四个电荷，这是迈向人工光合作用的关键一步。与以往的尝试不同，该分子可在弱光条件下工作，从而更接近于现实应用中的太阳能燃料生产。
植物利用阳光的能量将CO2转化为富含能量的糖分子。这一过程被称为光合作用，是几乎所有生命的基础：动物和人类可以再次“燃烧”以此方式产生的碳水化合物，并利用其中储存的能量。这会再次产生二氧化碳，从而闭合循环。
这一模式也可能是环保燃料的关键，因为研究人员正在致力于模仿天然光合作用，利用阳光产生高能化合物：诸如氢气、甲醇和合成汽油等太阳能燃料。如果燃烧这些燃料，它们产生的二氧化碳量将仅与其生产过程中所需的量相当。换句话说，它们将是碳中性的。
具有特殊结构的分子
在科学期刊《自然-化学》中，Oliver Wenger教授和他的博士生Mathis Brändlin现在报道了实现这一人工光合作用愿景的一个重要中间步骤：他们开发了一种特殊分子，可以在光照下同时存储四个电荷——两个正电荷和两个负电荷。
多电荷的中间存储是将阳光转化为化学能的重要先决条件：这些电荷可用于驱动反应——例如，将水分解为氢气和氧气。
该分子由串联连接的五个部分组成，每个部分执行特定的任务。分子的一侧有两个部分释放电子，并在此过程中带正电。另一侧的两个部分接收电子，这导致它们带负电。在中间，化学家放置了一个捕获阳光并启动反应（电子转移）的组件。
利用光的两步过程
为了产生这四个电荷，研究人员采用了利用两次闪光逐步进行的方法。第一束闪光击中分子并触发反应，产生一个正电荷和一个负电荷。这些电荷向外移动到分子的两端。随着第二束闪光，同样的反应再次发生，使得分子随后包含两个正电荷和两个负电荷。
在弱光下工作
“这种逐步激发使得利用明显更弱的光成为可能。因此，我们已经接近阳光的强度，”Brändlin解释道。早期的研究需要极强的激光，这与人工光合作用的愿景相去甚远。“此外，分子中的电荷保持稳定的时间足够长，可用于进一步的化学反应。”
话虽如此，这种新分子尚未创造出功能完备的人工光合作用系统。“但我们已经发现并实现了拼图中的重要一块，”Oliver Wenger说。这项研究的新发现有助于我们加深对人工光合作用核心的电子转移的理解。“我们希望这将有助于我们为可持续能源的未来开辟新前景，”Wenger说。