Hållbara kemiska tillämpningar måste kunna använda förnybara energikällor, förnybara råvaror och jordnära element. Men hittills har många tekniker endast varit möjliga med användning av dyra ädelmetaller eller sällsynta jordartsmetaller, vars utvinning kan ha allvarliga miljöeffekter. Ett team av forskare inklusive professor Katja Heinze och professor Christoph Kerzig vid Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) samt Dr Ute Resch-Genger vid tyska Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) har nu fått ett genombrott i användningen av krom, en riklig basmetall som Heinzes grupp har undersökt under en tid.

De nya rönen visar att kromföreningar, även kallade molekylära rubiner, kan ersätta dyra ädelmetaller i fotonuppkonvertering. Fotonuppkonvertering (UC) är en process där sekventiell absorption av två fotoner med lägre energi leder till emission av en foton med högre energi. Denna högre energifoton kan i princip användas för att utöka användningen av lågenergiljus i solceller eller fotokemiska reaktioner som annars kräver UV-ljus för aktivering. Användningen av molekylära rubiner kan således bidra till att minska påverkan av miljöskadliga processer som brytning av ädelmetaller eller sällsynta jordartsmetaller och att utöka fotokemin till mer hållbara processer.

Kromföreningar som ett lovande alternativ

De flesta fotokemiska och fotofysiska tillämpningar som fosforescerande organiska lysdioder, färgsensibiliserade solceller eller ljusdrivna kemiska reaktioner använder ädelmetaller som guld, platina, rutenium, iridium eller sällsynta jordartsmetaller. Ädelmetaller är dock dyra eftersom de är få medan sällsynta jordartsmetaller bara bryts i ett fåtal länder, i synnerhet i Kina. Dessutom innebär utvinningen ofta en betydande förbrukning av vatten, energi och kemikalier. I vissa fall, såsom guldbrytning, används mycket giftiga ämnen som cyanid eller kvicksilver.

Å andra sidan är resurserna för metallen krom, som har fått sitt namn från det antika grekiska ordet för färg, 10 000 gånger fler i jordskorpan än platina och 100 000 gånger större än iridium, vilket betyder att det är tillgängligt. i tillräckliga mängder. "Tyvärr är de fotofysiska egenskaperna hos rikliga metaller som krom eller järn helt enkelt inte tillräckligt bra för att vara användbara i tekniska tillämpningar, särskilt när det gäller livslängden och energierna för deras elektroniskt exciterade tillstånd", förklarade professor Katja Heinze vid JGU:s kemiska institution. . Ett betydande framsteg i detta avseende har bara gjorts under de senaste åren, med Heinzes team som en av de främsta bidragsgivarna. De var också involverade i utvecklingen av så kallade molekylära rubiner. Dessa är lösliga molekylära föreningar som har exceptionellt goda exciterade tillståndsegenskaper. Molekylära rubiner har redan använts som molekylära optiska termometrar och trycksensorer.

Direkt observation av energiöverföringsprocesserna tack vare ny storskalig laseranordning

Teamet av forskare från Mainz och Berlin har nu fått ännu ett genombrott. "I processen observerade vi en ny mekanism och förstod den höga effektiviteten hos de nya kromföreningarna i detalj", säger professor Christoph Kerzig. Forskarna lyckades direkt observera den ovanliga energiöverföringsvägen med hjälp av en laserinstallation som nyligen installerats i Kerzig-gruppen. Denna så kallade laserblixtfotolysteknik gjorde det möjligt för dem att detektera alla mellanprodukter som är viktiga för uppkonverteringsmekanismerna. Dessutom fastställde kvantitativa laserexperiment frånvaron av inneboende energiförlustkanaler och sidoreaktioner, vilket lägger grunden för effektiva tillämpningar av detta underutforskade sätt att överföra och omvandla solenergi med kromföreningar.

Följaktligen kan forskare kanske utveckla nya ljusdrivna reaktioner med den vanliga metallen krom i framtiden istället för att använda de sällsynta, dyrare rutenium- och iridiumföreningarna, som idag fortfarande är de mest använda. "Tillsammans med våra partners vid BAM i Berlin och andra universitet kommer vi att fortsätta att driva på med våra ansträngningar att utveckla en mer hållbar fotokemi", säger professor Katja Heinze.

Gruppens resultat har publicerats i Angewandte Chemie . + Utforska vidare

Mangan kan göra självlysande material och omvandlingen av solljus mer hållbart