Экраны смартфонов и катализаторы искусственного фотосинтеза – например, для производства топлива из солнечного света – часто содержат очень редкие металлы. Иридий, например, который используется в органических светодиодах (OLED), встречается реже, чем золото или платина.
Рутений, используемый в солнечных элементах, также является одним из самых редких стабильных элементов. Эти металлы не только очень дороги из-за их дефицита, но и токсичны во многих соединениях.
Теперь группе, возглавляемой профессором Оливером Венгером и его докторантом Патриком Херром из Базельского университета, впервые удалось получить люминесцентные комплексы марганца, в которых воздействие света вызывает те же реакции, что и в соединениях рутения или иридия. Результаты опубликованы в журнале Nature Chemistry.
Преимущество использования марганца в том, что в земной коре этого элемента в 900000 раз больше, чем иридия, а также он значительно менее токсичен и во много раз дешевле.
Быстрая фотохимия
В настоящее время новые комплексы марганца обладают худшими характеристиками, чем соединения иридия, с точки зрения их светоотдачи. Однако управляемые светом реакции, необходимые для искусственного фотосинтеза, такие как реакции передачи энергии и электронов, происходят с высокой скоростью. Это связано с особой структурой новых комплексов, которая приводит к немедленному переносу заряда от марганца к его прямым связывающим партнерам при возбуждении светом.
Этот принцип построения комплексов уже используется в некоторых типах солнечных элементов, хотя до сих пор в нем в основном использовались соединения благородных металлов, а иногда и комплексы на основе менее благородных металлов меди.
Предотвращение нежелательной вибрации
Поглощение световой энергии обычно вызывает большие искажения в комплексах из дешевых металлов, чем в соединениях благородных металлов.
В результате комплексы начинают вибрировать и большая часть поглощенной световой энергии теряется. Исследователи смогли подавить эти искажения и вибрации, включив в комплексы специально разработанные молекулярные компоненты, чтобы заставить марганец войти в жесткую среду.
Этот принцип конструкции также увеличивает стабильность получаемых соединений и их устойчивость к процессам разложения.
По словам Венгера, до сих пор никому не удавалось создать молекулярные комплексы с марганцем, которые могут светиться в растворе при комнатной температуре и обладают этими особыми реакционными свойствами. "Патрик Херр и его постдоки действительно совершили прорыв в этом отношении, открыв новые возможности за пределами области благородных металлов.«В будущих исследовательских проектах Венгер и его группа хотят улучшить люминесцентные свойства новых комплексов марганца и закрепить их на подходящих полупроводниковых материалах для использования в солнечных элементах.
Другие возможные усовершенствования включают водорастворимые варианты комплексов марганца, которые потенциально могут быть использованы вместо соединений рутения или иридия в фотодинамической терапии, используемой для лечения рака.