Baseluniversitetets forskare har nått en viktig milstolpe i sin strävan att producera mer hållbara självlysande material och katalysatorer för att omvandla solljus till andra energiformer. Baserat på den billiga metallmanganen, de har utvecklat en ny klass av föreningar med lovande egenskaper som hittills främst har hittats i ädelmetallföreningar.

Smartphone skärmar och katalysatorer för artificiell fotosyntes - för att producera bränslen från solljus, till exempel - innehåller ofta mycket sällsynta metaller. Iridium, till exempel, som används i organiska ljusemitterande dioder (OLED), är sällsyntare än guld eller platina. Rutenium, används i solceller, är också ett av de sällsynta stabila elementen. Dessa metaller är inte bara mycket dyra, på grund av sin knapphet, men också giftigt i många föreningar.

Nu, ett team som leds av professor Oliver Wenger och hans doktorand Patrick Herr från universitetet i Basel har för första gången lyckats producera självlysande mangankomplex där exponering för ljus får samma reaktioner att ske som i rutenium- eller iridiumföreningar. Resultaten har publicerats i tidskriften Naturkemi . Fördelen med att använda mangan är att elementet är 900, 000 gånger rikligare i jordskorpan än iridium, liksom att vara betydligt mindre giftig och många gånger billigare.

Snabb fotokemi

För närvarande, de nya mangankomplexen presterar sämre än iridiumföreningar när det gäller deras ljuseffektivitet. Dock, de ljusdrivna reaktionerna som behövs för artificiell fotosyntes som energi- och elektronöverföringsreaktioner sker med hög hastighet. Detta beror på den speciella strukturen för de nya komplexen, vilket leder till en omedelbar laddningsöverföring från mangan till dess direkta bindningspartner vid excitation med ljus. Denna designprincip för komplex används redan i vissa typer av solceller, även om det fram till nu mestadels har ädelmetallföreningar, och ibland komplex baserade på den mindre ädelmetallkopparen.

Förhindra oönskade vibrationer

Absorptionen av ljusenergi orsakar normalt större snedvridning i komplex av billiga metaller än i ädelmetallföreningar. Som ett resultat, komplexen börjar vibrera och en stor del av den absorberade ljusenergin går förlorad. Forskarna kunde undertrycka dessa snedvridningar och vibrationer genom att införliva skräddarsydda molekylkomponenter i komplexen för att tvinga mangan till en stel miljö. Denna designprincip ökar också stabiliteten hos de resulterande föreningarna och deras motståndskraft mot sönderdelningsprocesser.

Tills nu, ingen har lyckats skapa molekylkomplex med mangan som kan lysa i lösning vid rumstemperatur och som har dessa speciella reaktionsegenskaper, säger Wenger. "Patrick Herr och de inblandade postdoktorna gjorde verkligen ett genombrott i detta avseende - en som öppnar nya möjligheter utanför ädelmetallernas område." I framtida forskningsprojekt, Wenger och hans grupp vill förbättra de lysande egenskaperna hos de nya mangankomplexen och förankra dem på lämpliga halvledarmaterial för användning i solceller. Andra möjliga förfiningar inkluderar vattenlösliga varianter av mangankomplexen som potentiellt kan användas istället för rutenium- eller iridiumföreningar i den fotodynamiska terapin som används för att behandla cancer.