När solen lyser över jorden lagrar växter och alger energi genom fotosyntesen. Att återskapa denna process i tekniska system är en av vår tids stora utmaningar. Många forskargrupper drömmer därför om genombrott inom det område som kallas artificiell fotosyntes.

Vid Ångströmlaboratoriet i Uppsala utvecklar kemisten Haining Tian och hans forskargrupp organiska molekylära nanokristaller, så kallade OMN, som kan omvandla ljus till kemisk energi med hög effektivitet.

För att reaktionerna ska fungera optimalt kombineras kristallerna med hjälpkomponenter som fångar upp de laddningar som ljuset skapar och leder dem vidare till rätt kemiska process. Tillsammans bildar de ett system där solljus direkt kan driva produktionen av bränslen och andra energirika ämnen.

Från polymerprickar till organiska nanokristaller

Forskningen började med polymerprickar, mycket små partiklar av organiska polymerer, mindre än 100 nanometer, som kan fånga ljus och starta kemiska reaktioner.

– Det var vårt första större projekt, säger Tian. Men vi märkte att den katalytiska prestandan hos polymerprickar är starkt beroende av polymerens kedjelängd, och det var ibland svårt att kontrollera.

Nästa steg blev organiska nanokristaller med väldefinierade molekyler som kan framställas exakt likadant varje gång.

– Med den organiska molekylen kan vi bestämma strukturen mycket exakt med hjälp av kärnmagnetisk resonans och masspektrometri och tillverka nanokristaller med god kontroll. Den ordningen är avgörande för att vi ska förstå hur ljus påverkar materialet, säger Tian.

Ljus som driver kemi

Kärnan i projektet är en process som kallas symmetry breaking charge separation. Det låter teoretiskt, men handlar i praktiken om hur ljusenergi kan skapa elektriska laddningar i ett material och hålla dem isär, vilket är avgörande för att driva kemiska reaktioner.

– I alla katalytiska reaktioner behöver vi laddningar i form av elektroner och hål, förklarar Tian. Vi använder solenergi för att skapa dem och styra dem till rätt reaktion.

När ljus träffar kristallen får elektronerna extra energi och börjar röra sig från en del av molekylen till en annan. I vanliga halvledare som kisel krävs ofta dopning av andra grundämnen eller speciella gränssnitt för att separera dessa laddningar. I Tians nanokristaller sker det däremot spontant tack vare molekylernas packning i nanokristallen.

Varje molekyl består av två delar: en donator, D, som gärna avger elektroner och en acceptor, A, som gärna tar emot dem. Den inbyggda D-A-strukturen gör att elektronerna kan röra sig i en bestämd riktning när ljus absorberas. Först sker laddningsseparationen inom en enskild molekyl. Därefter hoppar elektronerna vidare mellan grannmolekyler i kristallen och hålls åtskilda tillräckligt länge för att driva de kemiska reaktionerna.

Om vi kunde omvandla bara en tiondels procent av all solenergi som når jorden skulle det räcka för samhällets behov. Det visar varför arbetet är viktigt. Det är ingen snabb lösning, men om vi lyckas kan det förändra allt.

– Först separeras alltså laddningarna inom molekylen. Sedan rör sig elektronerna mellan molekylerna i kristallen för att nå ytan så att vi kan använda dem innan de förenas igen, förklarar Tian.

Detta liknar en del av den naturliga fotosyntesen, där symmetribrutna laddningar gör att ljus kan skapa laddningsseparation utan stora energiförluster.

Potential för bränslen och kemikalier

Målet är att de nya materialen ska kunna använda solljus för att omvandla vatten och koldioxid till energirika ämnen, som väte och kolbaserade bränslen.

– Vi vill producera väte effektivt och också omvandla koldioxid till användbara kemikalier med hjälp av fotoredoxkatalys, säger Tian.

Nästa steg är att använda de bästa materialen i en flödescellsreaktor.

– Vi bygger en reaktor där katalysatorerna fästs på glasskivor och där vatten och koldioxid flödar över dem under belysning. Det gör det lättare att separera produkter och att kontrollera reaktionstiden, säger Tian.

Att fästa katalysatorn på en yta i stället för att låta den flyta i en lösning ger stabilitet och kontroll. En postdoktor har rekryterats för att konstruera flödesreaktorn, som ska kunna köras kontinuerligt utan att kristallerna klumpar ihop sig eller tappar aktivitet.

– Vi vill förstå varje steg innan vi skalar upp till något med större praktisk tillämpning.

Mot artificiell fotosyntes

Haining Tians arbete är en del av den växande forskningen kring artificiell fotosyntes.

– Idén är inte ny, men metoder och material har blivit mer förfinade. Tidigare försökte forskare använda enstaka molekyler för att efterlikna naturen. Nu bygger vi aggregerade molekylsystem som gör samma sak, men mer effektivt.

Visionen är ett koldioxidneutralt kretslopp där solenergi lagras kemiskt. Koldioxid används för att producera bränslen och kemikalier, och när dessa förbrukas frigörs samma mängd koldioxid som sedan kan återanvändas i nya reaktioner. I praktiken lagrar systemet solenergi i kemisk form.

Forskningen har gått framåt, men vägen till färdiga tillämpningar kan fortfarande vara lång.

– Detta är grundforskning. Vi vet vad vi kan göra och vilka utmaningarna är, och det finns en enorm potential om vi lyckas, säger Tian.

Text Nils Johan Tjärnlund
Bild Magnus Bergström