Nachhaltige Photochemie mit Chrom
Effiziente Energieumwandlung mit Chrom-basierten Verbindungen geglückt.
Nachhaltige chemische Anwendungen müssen erneuerbare Energiequellen, erneuerbare Rohstoffe und reichlich vorhandene Elemente einsetzen können. Bislang funktionieren viele Techniken jedoch nur mit teuren Edelmetallen oder Seltenerdmetallen, deren Gewinnung gravierende Auswirkungen auf die Umwelt haben kann. Einem Forscherteam um Katja Heinze und Christoph Kerzig von der Johannes-Gutenberg-Universität Mainz (JGU) sowie Ute Resch-Genger von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Berlin ist nun ein Durchbruch bei der Verwendung von Chrom gelungen. Chrom ist ein häufig vorkommendes Nichtedelmetall, mit dem sich Heinzes Arbeitsgruppe schon seit Längerem beschäftigt. Die neuen Erkenntnisse zeigen, dass Chromverbindungen teure Edelmetalle bei der Photonen-Aufwärtskonversion ersetzen können. Dieser Prozess kann beispielsweise die Nutzung von Solarenergie unterstützen. Molekulare Rubine – wie die Chromverbindungen auch genannt werden – können somit dazu beitragen, die Auswirkungen umweltschädlicher Techniken zu verringern und die Photochemie auf nachhaltigere Prozesse auszuweiten.
Heutzutage verwenden die meisten photochemischen und photophysikalischen Anwendungen, darunter zum Beispiel phosphoreszierende organische Leuchtdioden, Farbstoffsolarzellen oder lichtgetriebene chemische Reaktionen, Edelmetalle wie Gold, Platin, Ruthenium, Iridium oder Seltenerdmetalle. Edelmetalle sind jedoch teuer, weil sie knapp sind, während seltene Erden nur in wenigen Ländern, insbesondere in China, abgebaut werden. Außerdem geht der Abbau oft mit einem erheblichen Verbrauch an Wasser, Energie und Chemikalien einher. In einigen Fällen, etwa bei der Gewinnung von Gold, werden sogar hochgiftige Substanzen wie Zyanid oder Quecksilber eingesetzt.
Dagegen sind die Vorkommen von Chrom – der Name des Metalls geht auf das altgriechische Wort für Farbe zurück – in der Erdkruste zehntausend Mal größer als die von Platin und hunderttausend Mal größer als die von Iridium. Chrom ist also in ausreichenden Mengen vorhanden. „Leider sind die photophysikalischen Eigenschaften von häufigen Metallen wie eben Chrom oder Eisen nicht gut genug für die technologischen Anwendungen. Das betrifft vor allem die Lebensdauer und Energie der elektronisch angeregten Zustände“, erklärt Katja Heinze, Professorin im Department Chemie der JGU. Erst in den vergangenen Jahren sind hier deutliche Fortschritte erzielt worden, wozu das Team um Heinze maßgeblich beigetragen hat. So war es etwa an der Entwicklung der molekularen Rubine beteiligt. Dabei handelt es sich um lösliche molekulare Verbindungen, die außergewöhnlich gute Eigenschaften im angeregten Zustand besitzen. Molekulare Rubine werden bereits als molekulare optische Thermometer und Drucksensoren eingesetzt.
Dem Team aus Mainz und Berlin ist nun ein weiterer Durchbruch gelungen. „Dabei haben wir einen neuartigen Mechanismus beobachtet und die hohe Effizienz der neuen Chromverbindungen im Detail verstanden“, erklärt Christoph Kerzig. Die Forscher konnten den ungewöhnlichen Energietransferprozess mit einem Laser-Großgerät, das die Arbeitsgruppe von Kerzig kürzlich in Betrieb genommen hat, direkt beobachten. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass es zu keinen Energieverlusten oder Nebenreaktionen kommt. Damit ist der Grundstein für eine effiziente Anwendung der neuartigen Vorgehensweise gelegt, um Sonnenenergie mithilfe von Chromverbindungen zu übertragen und umzuwandeln.
Die Forschung kann damit in Zukunft neue, lichtgetriebene Reaktionen mit dem weitverbreiteten Metall Chrom entwickeln, anstatt die seltenen und teureren Ruthenium- und Iridiumverbindungen zu verwenden, die heute noch am häufigsten zum Einsatz kommen. „Zusammen mit unseren Partnern von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und von anderen Universitäten werden wir unseren Einsatz für eine nachhaltigere Photochemie weiter vorantreiben“, betont Katja Heinze.
Die neuen Forschungsergebnisse der Gruppe wurden in der Fachzeitschrift Angewandte Chemie veröffentlicht und als „Hot Paper“ eingeordnet. Die Arbeiten werden von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Fonds der chemischen Industrie finanziell unterstützt. Die DFG hatte 2018 das Schwerpunktprogramm „Lichtgesteuerte Reaktivität von Metallkomplexen“ (SPP 2102) eingerichtet, das von Katja Heinze koordiniert wird und dessen zweite Förderperiode 2022 begonnen hat.
U. Mainz / DE
