Duurzame chemische toepassingen moeten gebruik kunnen maken van hernieuwbare energiebronnen, hernieuwbare grondstoffen en aarde-overvloedige elementen. Tot op heden zijn veel technieken echter alleen mogelijk geweest met het gebruik van dure edelmetalen of zeldzame aardmetalen, waarvan de winning ernstige milieueffecten kan hebben. Een team van onderzoekers, waaronder professor Katja Heinze en professor Christoph Kerzig van de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), evenals Dr. Ute Resch-Genger van de Duitse Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) heeft nu een doorbraak bereikt in het gebruik van chroom, een overvloedig onedel metaal dat de groep van Heinze al enige tijd onderzoekt.

De nieuwe bevindingen tonen aan dat chroomverbindingen, ook wel moleculaire robijnen genoemd, dure edelmetalen kunnen vervangen bij de opconversie van fotonen. Photon upconversion (UC) is een proces waarbij de opeenvolgende absorptie van twee fotonen met lagere energie leidt tot de emissie van één foton met hogere energie. Dit hogere energie-foton kan in principe worden gebruikt om het gebruik van laag-energetisch zonlicht in zonnecellen of fotochemische reacties uit te breiden die anders UV-licht nodig hebben voor activering. Het gebruik van moleculaire robijnen kan dus helpen om de impact van milieubelastende processen zoals de winning van edele metalen of zeldzame aardelementen te verminderen en om fotochemie uit te breiden naar duurzamere processen.

Chroomverbindingen als veelbelovend alternatief

De meeste fotochemische en fotofysische toepassingen zoals fosforescerende organische lichtemitterende diodes, kleurstofgevoelige zonnecellen of door licht aangedreven chemische reacties gebruiken edele metalen zoals goud, platina, ruthenium, iridium of zeldzame aardmetalen. Edelmetalen zijn echter duur omdat ze schaars zijn, terwijl zeldzame aardmetalen slechts in een paar landen worden gewonnen, met name in China. Bovendien gaat de winning ervan vaak gepaard met een aanzienlijk verbruik van water, energie en chemicaliën. In sommige gevallen, zoals goudwinning, worden zeer giftige stoffen zoals cyanide of kwik gebruikt.

Aan de andere kant zijn de bronnen van het metaalchroom, dat zijn naam dankt aan het oud-Griekse woord voor kleur, 10.000 keer overvloediger in de aardkorst dan die van platina en 100.000 keer groter dan die van iridium, wat betekent dat het beschikbaar is in voldoende hoeveelheden. "Helaas zijn de fotofysische eigenschappen van overvloedige metalen zoals chroom of ijzer gewoon niet goed genoeg om bruikbaar te zijn in technologische toepassingen, vooral als het gaat om de levensduur en energie van hun elektronisch aangeslagen toestanden", legt professor Katja Heinze van JGU's Department of Chemistry uit. . In dit opzicht is pas de laatste jaren een aanzienlijke vooruitgang geboekt, waarbij het team van Heinze een van de belangrijkste bijdragers is. Ze waren ook betrokken bij de ontwikkeling van zogenaamde moleculaire robijnen. Dit zijn oplosbare moleculaire verbindingen die uitzonderlijk goede eigenschappen in de aangeslagen toestand bezitten. Moleculaire robijnen zijn al gebruikt als moleculaire optische thermometers en druksensoren.

Directe observatie van de energieoverdrachtsprocessen dankzij nieuw grootschalig laserapparaat

Het team van wetenschappers uit Mainz en Berlijn heeft nu weer een doorbraak bereikt. "Tijdens het proces hebben we een nieuw mechanisme waargenomen en de hoge efficiëntie van de nieuwe chroomverbindingen in detail begrepen", zei professor Christoph Kerzig. De wetenschappers slaagden erin om het ongebruikelijke energieoverdrachtspad direct te observeren met behulp van een laseropstelling die onlangs in de Kerzig-groep is geïnstalleerd. Met deze zogenaamde laserflitsfotolysetechniek konden ze alle tussenproducten detecteren die belangrijk zijn voor de opconversiemechanismen. Bovendien hebben kwantitatieve laserexperimenten de afwezigheid van inherente kanalen voor energieverlies en nevenreacties aangetoond, wat de basis legt voor efficiënte toepassingen van deze onderontwikkelde manier om zonne-energie over te dragen en om te zetten met chroomverbindingen.

Bijgevolg kunnen wetenschappers in de toekomst mogelijk nieuwe, door licht aangedreven reacties ontwikkelen met behulp van het gewone metaal chroom in plaats van de zeldzame, duurdere ruthenium- en iridiumverbindingen te gebruiken, die vandaag nog steeds het meest worden gebruikt. "Samen met onze partners bij BAM in Berlijn en andere universiteiten zullen we doorgaan met onze inspanningen om een ​​duurzamere fotochemie te ontwikkelen", zegt professor Katja Heinze.

De resultaten van de groep zijn gepubliceerd in Angewandte Chemie . + Verder verkennen

Mangaan kan lichtgevende materialen en de omzetting van zonlicht duurzamer maken