Mangan statt Edelmetalle: Nachhaltigere Leuchtstoffe und Sonnenlicht-Nutzung

Basel – Forschenden der Universität Basel ist ein wichtiger Schritt gelungen, um nachhaltigere Leuchtstoffe und Katalysatoren für die Umwandlung von Sonnenlicht in andere Energieformen zu produzieren. Auf der Basis von kostengünstigem Mangan entwickelten sie eine neue Verbindungsklasse mit vielversprechenden Eigenschaften, die es bis jetzt vor allem bei Edelmetallverbindungen gab.

Bildschirme von Smartphones und Katalysatoren für künstliche Fotosynthese, um mithilfe von Sonnenlicht beispielsweise Brennstoffe herzustellen, enthalten oft sehr seltene Metalle. Iridium etwa, das in organischen lichtemittierenden Dioden (OLEDs) zum Einsatz kommt, ist seltener als Gold und Platin. Auch Ruthenium, das in Solarzellen Verwendung findet, gehört zu den seltensten stabilen Elementen. Nicht nur sind diese Metalle durch ihre Seltenheit sehr teuer, sie sind in vielen Verbindungen auch toxisch.

Einem Forschungsteam um Prof. Dr. Oliver Wenger und seinem Doktoranden Patrick Herr von der Universität Basel ist es erstmals gelungen, leuchtende Mangan-Komplexe herzustellen, in denen unter Bestrahlung mit Licht die gleichen Reaktionen ablaufen wie in Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen. Davon berichten die Forschenden in der Fachzeitschrift «Nature Chemistry». Der Vorteil von Mangan: Es kommt in der Erdkruste 900’000-mal häufiger vor als Iridium, ist deutlich weniger giftig und um ein Vielfaches kostengünstiger.

Schnelle Photochemie
Die Leuchteffizienz der neuen Mangan-Komplexe liegt gegenüber derjenigen von Iridium-Verbindungen derzeit noch zurück. Anders liegt der Fall bei den lichtgetriebenen Reaktionen, die für die künstliche Fotosynthese nötig sind. Diese Energietransfer- und Elektronenübertragungs-Reaktionen liefen mit hohen Geschwindigkeiten ab. Möglich wird dies durch die besondere Bauweise der neuen Komplexe, die bei Anregung mit Licht sofort zu einem Ladungstransfer vom Mangan in Richtung seiner unmittelbaren Verbindungspartner führt. Dieses Bauprinzip von Komplexen wird in bestimmten Typen von Solarzellen bereits genutzt, allerdings bisher meist mit Edelmetall-Verbindungen, manchmal auch mit Komplexen basierend auf dem Halbedelmetall Kupfer.

Unerwünschte Schwingungen verhindert
Durch die Aufnahme von Lichtenergie verzerren sich Komplexe aus kostengünstigen Metallen normalerweise stärker als Edelmetall-Verbindungen. Dadurch beginnen die Komplexe zu schwingen und ein Grossteil der aufgenommenen Lichtenergie geht verloren. Solche Verzerrungen und Schwingungen konnten die Forschenden unterdrücken, indem sie massgeschneiderte Molekülbestandteile in die Komplexe einbauten, um das Mangan in eine steife Umgebung zu zwingen. Dieses Bauprinzip erhöht zudem die Stabilität der resultierenden Verbindungen und macht sie gegenüber Zersetzungsprozessen robuster.

Bisher sei es noch niemandem gelungen, molekulare Komplexe mit Mangan zu schaffen, die bei Raumtemperatur in Lösung leuchten können und diese speziellen Reaktionseigenschaften hätten, so Wenger. «Patrick Herr und die beteiligten Postdoktoranden haben damit wirklich einen Durchbruch geschafft, der neue Möglichkeiten ausserhalb des Bereichs der Edelmetalle und Halbedelmetalle eröffnet.» In zukünftigen Forschungsarbeiten wollen Wenger und seine Forschungsgruppe die Leuchteigenschaften der neuen Mangan-Komplexe verbessern und sie auf geeigneten Halbleitermaterialien für Solarzellen verankern. Andere mögliche Weiterentwicklungen wären wasserlösliche Varianten der Mangan-Komplexe, die möglicherweise anstelle von Ruthenium- oder Iridium-Verbindungen in der photodynamischen Therapie zur Behandlung von Krebs eingesetzt werden könnten. (Universität Basel/m c/ps)

Originalpublikation
Patrick Herr, Christoph Kerzig, Christopher B. Larsen, Daniel Häussinger, Oliver S. Wenger
Manganese(I) complexes with metal-to-ligand charge transfer luminescence and photoreactivity
Nature Chemistry (2021), doi: 10.1038/s41557-021-00744-9
Forschungsgruppe Prof. Dr. Wenger