Onderzoekers van de Universiteit van Basel hebben een belangrijke mijlpaal bereikt in hun zoektocht naar duurzamere lichtgevende materialen en katalysatoren voor het omzetten van zonlicht in andere vormen van energie. Gebaseerd op het goedkope metaal mangaan, ze hebben een nieuwe klasse verbindingen ontwikkeld met veelbelovende eigenschappen die tot nu toe vooral in edelmetaalverbindingen werden aangetroffen.

Smartphone-schermen en katalysatoren voor kunstmatige fotosynthese - om brandstoffen te produceren uit zonlicht, bevatten bijvoorbeeld vaak zeer zeldzame metalen. Iridium, bijvoorbeeld, die wordt gebruikt in organische lichtemitterende diodes (OLED's), is zeldzamer dan goud of platina. ruthenium, gebruikt in zonnecellen, is ook een van de zeldzaamste stabiele elementen. Deze metalen zijn niet alleen erg duur, vanwege hun schaarste, maar ook giftig in veel verbindingen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van professor Oliver Wenger en zijn promovendus Patrick Herr van de Universiteit van Basel zijn er voor het eerst in geslaagd om luminescente mangaancomplexen te produceren waarin blootstelling aan licht dezelfde reacties veroorzaakt als in ruthenium- of iridiumverbindingen. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuurchemie . Het voordeel van het gebruik van mangaan is dat het element 900 is, 000 keer overvloediger in de aardkorst dan iridium, maar ook aanzienlijk minder giftig en vele malen goedkoper.

Snelle fotochemie

Momenteel, de nieuwe mangaancomplexen presteren slechter dan iridiumverbindingen wat betreft hun lichtrendement. Echter, de door licht gestuurde reacties die nodig zijn voor kunstmatige fotosynthese, zoals energie- en elektronenoverdrachtsreacties, vinden met hoge snelheid plaats. Dit komt door de bijzondere structuur van de nieuwe complexen, wat leidt tot een onmiddellijke ladingsoverdracht van het mangaan naar zijn directe bindingspartners bij excitatie met licht. Dit ontwerpprincipe voor complexen wordt al gebruikt in bepaalde typen zonnecellen, hoewel het tot nu toe voornamelijk edelmetaalverbindingen bevatte, en soms complexen op basis van het minder edele metaal koper.

Ongewenste trillingen voorkomen

De absorptie van lichtenergie veroorzaakt normaal gesproken een grotere vervorming in complexen gemaakt van goedkope metalen dan in edelmetaalverbindingen. Als resultaat, de complexen beginnen te trillen en een groot deel van de geabsorbeerde lichtenergie gaat verloren. De onderzoekers konden deze vervormingen en trillingen onderdrukken door op maat gemaakte moleculaire componenten in de complexen op te nemen om het mangaan in een rigide omgeving te dwingen. Dit ontwerpprincipe verhoogt ook de stabiliteit van de resulterende verbindingen en hun weerstand tegen afbraakprocessen.

Tot nu, niemand is erin geslaagd met mangaan moleculaire complexen te maken die bij kamertemperatuur in oplossing kunnen gloeien en die deze speciale reactie-eigenschappen hebben, zegt Wenger. "Patrick Herr en de betrokken postdocs hebben in dit opzicht echt een doorbraak bereikt - een die nieuwe kansen biedt buiten het gebied van edele metalen." In toekomstige onderzoeksprojecten, Wenger en zijn groep willen de luminescente eigenschappen van de nieuwe mangaancomplexen verbeteren en verankeren op geschikte halfgeleidermaterialen voor gebruik in zonnecellen. Andere mogelijke verfijningen zijn onder meer in water oplosbare varianten van de mangaancomplexen die mogelijk kunnen worden gebruikt in plaats van ruthenium- of iridiumverbindingen in de fotodynamische therapie die wordt gebruikt om kanker te behandelen.