Forscher haben Bilder einer chemischen Reaktion aufgezeichnet, die die Natur nutzt, um Energie mit großer Effizienz zu bewegen. Die Bilder verbinden Verschiebungen von Elektronen, Protonen und Wassermolekülen und könnten helfen, bessere Katalysatoren, Brennstoffzellen und Flussbatterien zu entwickeln.
Forscher des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums führten ein Team an, das Mitarbeiter des SLAC National Accelerator Laboratory und mehrerer Universitäten umfasste. Ihre Arbeit wurde in Nature Communications veröffentlicht.
Die Reaktion einfangen
Der Prozess hängt davon ab, dass positiv und negativ geladene Teilchen auf organisierte Weise zusammen bewegt werden. Pflanzen nutzen vergleichbare Methoden, um Energie aus der Sonne aufzunehmen und sie als chemische Energie zu speichern. Tiere verwenden verwandte Methoden, um Nahrung in Energie umzuwandeln.
Protonen und Elektronen können als Paar reisen, ohne zusätzliche Schritte zu benötigen, was Energie spart und den Prozess beschleunigt.
Ein Lichtimpuls wurde an ein Molekül abgegeben, was die Reaktion auslöste, während Ultraschall-X-Strahlen eingesetzt wurden, um die Nachwirkungen zu beobachten. Das Team beobachtete eine Kette von Ereignissen, die gleichzeitig ablaufend: Veränderungen der elektronischen Struktur, die Ankunft eines Protons und Veränderungen in der umliegenden Wasserumgebung.
„Wir haben zum ersten Mal aufgezeichnet, wie elektronische Veränderungen, die mit der Protonenübertragung verbunden sind, mit einer Neuorganisation des umgebenden Lösungsmittels einhergehen“, sagte Elisa Biasin, eine PNNL-Experimentalphysikerin für Chemie.
Warum es wichtig ist
Die Natur verlässt sich auf protonengekoppelte Elektronenübertragung, oder PCET, für ihre Abläufe. Der Prozess treibt die Photosynthese an und versorgt auch die biologische Energieumwandlung.
Der grundlegende Prozess hinter dem System wurde von Forschern herausgefunden, doch die genaue Abfolge und das Timing davon, wie Elektronen und Protonen sich darin bewegen, sind noch nicht vollständig bekannt.
„Passieren sie gleichzeitig oder nicht? An welcher molekularen Stelle? Und wie unterstützt das Wassernetz den Protonensprung?“ fragte Biasin. „Dies sind einige der möglichen offenen Fragen.“
Forscher haben jetzt eine Möglichkeit, diese Fragen zu beantworten, und die Ergebnisse zeigen, dass lokalisierte Verschiebungen der elektronischen Struktur einer umfassenderen Neuorganisation des umgebenden Wassernetzes entsprechen, wenn das Molekül ein Proton aufnimmt.
Nach Elektronen, Protonen und Wasser
Die eigentliche Schwierigkeit liegt im Tempo. Elektronen bewegen sich mit einer extrem hohen Geschwindigkeit, und Protonen halten nahezu ebenso schnell mit. Die Wassermoleküle um die reagierenden Teilchen ordnen sich ständig neu an, und diese ständige Verschiebung ist notorisch schwer direkt zu beobachten.
Frühere Studien waren in der Lage, bestimmte Aspekte dieses Verfahrens einzeln zu messen, obwohl es niemandem gelang, sowohl die internen elektronischen Veränderungen innerhalb des Moleküls als auch die Umordnung der Materie in der Umgebung gleichzeitig zu beobachten.
Biasin und ihr Team wählten ein auf Ruthenium basierendes Molekül, das bereits eingehend untersucht wurde, da es das System einfacher verständlich macht. Diese spezielle Verbindung nimmt Licht auf und greift ein Proton aus ihrer Umgebung auf, wenn sie in einer Säure platziert wird.
„Wir identifizierten den Metallkomplex, der in dieser Studie verwendet wird, weil er keine zusätzlichen elektronischen und strukturellen Umordnungen durchläuft, die die Interpretation von Röntgen Signalen verkomplizieren, wodurch es uns ermöglicht, Signale im Zusammenhang mit der Bewegung von Elektronen, Protonen und Lösungsmitteln zu isolieren“, sagte Christopher Larsen, ein Co-Investigator und Senior Lecturer an der University of Auckland, Neuseeland.
An der Universität Genf wendeten die Wissenschaftler zeitaufgelöste Charakterisierungstechniken an, um die Phasen der Reaktion zu verfolgen.
Was kommt als Nächstes
Wissenschaftler kombinierten extrem schnelle Röntgen-Spektroskopie, Röntgen-Streuung und fortschrittliche Simulationen, um wichtige Momente der Reaktion zu dokumentieren. Dieser Ansatz kann letztendlich Forschern helfen, bessere Katalysatoren, Brennstoffzellen und Flussbatterien zu entwickeln.
Forscher haben nun ein direktes Mittel, um diese miteinander verbundenen Transformationen zu untersuchen, was letztendlich bei der Entwicklung effizienterer Katalysatoren, Brennstoffzellen, Flussbatterien und anderer Technologien zur Energieumwandlung und -speicherung helfen kann.
Diese Studie macht das Feld voran, indem sie untersucht, wie sich Moleküle und ihre Umgebung während wichtiger chemischer Reaktionen gemeinsam verändern.
- Extrem schnelle Röntgen-Spektroskopie erfasst Veränderungen der elektronischen Struktur.
- Röntgen-Streuung dokumentiert die Ankunft eines Protons.
- Fortschrittliche Simulationen modellieren die Umorganisation des umgebenden Wassernetzes.
Quelle: „Wissenschaftler sehen endlich, wie die Natur Energie so effizient bewegt“, ScienceDaily.
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