(openPR) Üblicherweise werden Reaktionen durch Wärme angetrieben. Doch in den letzten Jahren hat such auch Licht als Energiegeber etabliert, da sich chemische Reaktionen auf diese Weise außergewöhnlich präzise steuern lassen – Stichwort Photochemie. Das Problem: Bislang benötigte man dafür Ruthenium, Osmium oder Iridium, allesamt seltene und teure Stoffe, die umweltschädlich beim Abbau sind. Ein Forschungsteam der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat nun einen neuartigen Metallkomplex entwickelt, der auf dem reichlich vorhandenen und kostengünstigen Mangan basiert. „Dieser Metallkomplex setzt einen neuen Maßstab in der Photochemie: Er kombiniert eine rekordverdächtige Lebensdauer des angeregten Zustands mit einfacher Synthese“, erläutert Prof. Dr. Katja Heinze vom Department Chemie der JGU. „Damit bietet er eine leistungsstarke und nachhaltige Alternative zu den Edelmetallkomplexen, die die lichtgetriebene Chemie lange Zeit dominiert haben.“ Die Forschungsergebnisse wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.
Mangan ist auf der Erde über 100.000-mal häufiger als das Edelmetall Ruthenium, doch seine Anwendung in der Photochemie war bisher stark eingeschränkt: Einerseits durch die aufwendige, mehrstufige Synthese, die oft neun bis zehn Schritte erfordert, andererseits durch die kurze Lebensdauer des angeregten Zustands. „Der neu entwickelte Mangankomplex meistert beide Herausforderungen“, berichtet Dr. Nathan East, ehemaliger Doktorand in der Gruppe von Prof. Katja Heinze, der die ursprüngliche Synthese durchführte. So wird das neue Material direkt aus kommerziell erhältlichen Ausgangsstoffen synthetisiert – in nur einem einzigen Syntheseschritt.
Neben Mangan nutzen die Forschenden einen Liganden, also ein weiteres Molekül, über das sich die Eigenschaften des Komplexes einstellen lassen. „Die Kombination eines farblosen Mangan-Salzes und des farblosen Liganden in Lösung erzeugt sofort eine tiefviolette Farbe – genau wie Tinte. Das ist eine sehr ungewöhnliche Farbe für einen Mangankomplex, die uns zeigte, dass etwas Einzigartiges passierte“, ergänzt Sandra Kronenberger, die diesen neuartigen Mangankomplex als Doktorandin im Max Planck Graduate Center (MPGC) in der Heinze-Gruppe weiter untersuchte.
Der entstandene Mangankomplex sieht nicht nur beeindruckend aus, er zeigt auch bemerkenswerte Eigenschaften: „Seine Lichtabsorption ist außergewöhnlich stark, die Wahrscheinlichkeit, dass er ein Lichtteilchen einfängt, also sehr hoch – der Komplex nutzt das Licht sehr effizient“, erläutert Dr. Christoph Förster, der das Projekt mit quantenchemischen Berechnungen begleitete.
„Bemerkenswert ist auch die Lebensdauer des Komplexes von 190 Nanosekunden. Dies ist zwei Größenordnungen länger als bei allen bisher bekannten Komplexen, die häufige Metalle wie Eisen oder Mangan enthalten“, so der leitende Wissenschaftler und Spektroskopiker Dr. Robert Naumann, der die Dynamik des angeregten Zustands des Komplexes über Lumineszenzspektroskopie charakterisierte. Denn bei der Photochemie wird der Katalysator, in diesem Fall der Mangankomplex, durch Licht in einen angeregten Zustand versetzt. Trifft er durch Diffusion auf ein anderes Molekül, überträgt er auf dieses ein Elektron. Da es Nanosekunden dauern kann, bis sich die Teilchen finden, muss der angeregte Zustand möglichst lange anhalten.
Doch tut der Komplex auch das, was sich die Forschenden von ihm erhoffen – nämlich ein Elektron auf ein anderes Molekül übertragen? „Wir konnten das initiale Produkt der Photoreaktion detektieren – also den erfolgten Elektronentransfer – und damit beweisen, dass der Komplex wie gewünscht reagiert“, fasst Prof. Dr. Katja Heinze zusammen.
Diese Entdeckung erweitert die Grenzen der nachhaltigen Photochemie. Dank seiner skalierbaren Ein-Schritt-Synthese, der effizienten Lichtabsorption, des robusten photophysikalischen Verhaltens und des langlebigen angeregten Zustands ebnet das neue manganhaltige Material den Weg der Photoreaktionen in zukünftige großtechnische Anwendungen. Wichtig könnte das künftig etwa für die nachhaltige Wasserstoffgewinnung werden.
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