Photochemie

Mangan-Komplexe zeigen Lumineszenz und Photoreaktivität

Forschende der Universität Basel haben Mangan-Komplexe hergestellt, die Eigenschaften zeigen, die sonst eher bei Edelmetallverbindungen vorkommen. Sie sehen Potenzial für Anwendungen solcher Mangan-Verbindungen und möchten vor diesem Hintergrund gezielt forschen.

Bildschirme von Smartphones und Katalysatoren für künstliche Photosynthese, 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 gelungen, leuchtende Mangan-Komplexe herzustellen, in denen unter Bestrahlung mit Licht solche 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.

Die an der Universität Basel hergestellten Mangan-Komplexe zeigen Leuchteigenschaften und Photokatalyse-Verhalten, wie es eher für edelmetallhaltige Verbindungen bekannt ist. Bild: Jakob Bilger, Universität Basel © Jakob Bilger, Universität Basel

Schnelle Photoreaktionen
Die Leuchteffizienz der neuen Mangan-Komplexe liegt gegenüber der von Iridium-Verbindungen derzeit noch zurück. Anders liegt der Fall bei den lichtgetriebenen Reaktionen, die für die künstliche Photosynthese nötig sind. Solche Energietransfer- und Elektronenübertragungs-Reaktionen liefen mit hohen Geschwindigkeiten ab. Möglich wird dies durch den besonderen Bau der neuen Komplexe, wodurch bei Anregung mit Licht sofort ein Ladungstransfer vom Mangan in Richtung seiner unmittelbaren Verbindungspartner erfolgt. 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.

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Durch die Aufnahme von Lichtenergie verzerren sich „Nicht-Edelmetall“-Komplexe 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 bestimmte Molekülbestandteile in die Komplexe einbauten, um das Mangan in eine steife Umgebung zu zwingen. Dadurch wurden die resultierenden Verbindungen zudem stabiler und gegenüber Zersetzungsprozessen robuster.

Ausblick
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.

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

Quelle: Universität Basel

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