Mangan anstelle von Edelmetallen

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Nachhaltigere Leuchtstoffe und Sonnenlicht-Nutzung

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.

Mangan-Komplexe zeigen erstmals Leuchteigenschaften und Photokatalyse-Verhalten, wie es bis jetzt vor allem für edelmetallhaltige Verbindungen bekannt war – Bild © Jakob Bilger, Uni Basel, mit frdl. Genehmigung

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. Diese Metalle sind durch ihre Seltenheit nicht nur sehr teuer, sie sind in vielen Verbindungen auch toxisch.

Einem Forschungsteam um Prof. 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 Nature Chemistry. Der Vorteil von Mangan: Es kommt in der Erdkruste 900.000mal häufiger vor als Iridium, ist deutlich weniger giftig und um ein Vielfaches kostengünstiger.

Schnelle Photochemie

Die Leuchteffizienz der neuen Mangan-Komplexe liegt hinter derjenigen von Iridium-Verbindungen derzeit noch zurück. Anders 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.

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