Damit chemische Anwendungen wirklich nachhaltig sind, bedarf es entsprechender Rohstoffe. Viele Techniken sind jedoch bisher nur mit dem Einsatz von teuren Edelmetallen oder Seltenerdmetallen möglich – und deren Gewinnung kann gravierende Umweltauswirkungen haben. Das ist insofern problematisch, als besonders Massenprodukte, wie Pharmazeutika und technische Geräte von diesem Problem betroffen sind.

Metalle, die in hohen Mengen zur Verfügung stehen und umweltfreundlicher gewonnen werden können, wie etwa Chrom, wurden bisher wegen mangelnder Eigenschaften nicht eingesetzt.

Problematisch ist insbesondere die chemische Anwendung der Photokatalyse. Diese basiert auf einer lichtgetriebenen Reaktion und wird zum Beispiel bei der Synthese von Pharmazeutika oder Feinchemikalien eingesetzt.

Katja Heinze von der Johannes Gutenberg Universität in Mainz forscht schon seit Längerem an dem Problem. Jetzt gelang es ihr in einem länderübergreifenden Team nachzuweisen, dass Chromverbindungen teure Edelmetalle in der Photokatalyse ersetzen können.

Umweltschädliche Gewinnung von Edelmetallen

Beispiele für Anwendungen in Photochemie und Photophysik sind phosphoreszierende organische Leuchtdioden, farbstoffsensibilisierte Solarzellen oder lichtbetriebene chemische Reaktionen. Für die meisten werden Edelmetalle wie Gold, Platin, Ruthenium, Iridium oder Seltenerdmetalle verwendet. Edelmetalle sind jedoch knapp und deshalb teuer.

Der Abbau Seltener Erden-Elemente konzentriert sich auf wenige Ländern, insbesondere auf China. Ihre Gewinnung ist oft mit einem erheblichen Verbrauch von Wasser, Energie und Chemikalien verbunden. In einigen Fällen, wie zum Beispiel beim Goldabbau, werden sogar hochgiftige Substanzen wie Zyanid oder Quecksilber eingesetzt.

Chrom ist ausreichend vorhanden

Hingegen ist das Metall Chrom in der Erdkruste ausreichend vorhanden – und übersteigt zum Beispiel das Vorkommen von Iridium um das 100.000-fache. Deren Einsatz für chemische Anwendungen ist bis jetzt an mangelnden Eigenschaften in der Photokatalyse gescheitert – insbesondere wenn es um die Lebensdauer ihrer elektronisch angeregten Zustände geht.

Die Fortschritte, die zuletzt im Bereich der Photokatalyse gemacht wurden, sind nicht zuletzt dem Team um Professor Katja Heinze zuzuschreiben.

Molekulare Rubine als Chromverbindung

Das Team entwickelte bereits die molekularen Rubine – das sind wasserlösliche molekulare Verbindungen, die – wie der namengebende Rubin – das Element Chrom enthalten. Diese weisen außergewöhnlich gute Leuchteigenschaften, also Lumineszenz-Quantenausbeuten, auf und wurden bereits in molekularen Thermometern und in Drucksensoren angewendet.

Aufbauend auf dem molekularen Rubin gelang nun ein weiterer Durchbruch: Alle typischen Zerfallskanäle des elektronisch angeregten Zustands eines molekularen Rubins wurden so effizient blockiert, dass der angeregte Zustand außergewöhnlich lange bestehen bleibt.

Das Experiment wurde bei Raumtemperatur in flüssiger Lösung durchgeführt und die Lebensdauer des elektronisch angeregten Zustands erhöhte sich auf einen Rekordwert von 4,5 Millisekunden.

Chrom, Photokatalyse

Chrom (c) Steffen Treiling

Erhöhte Lebensdauer des angeregten Zustands

Der Effekt basiert auf der Laporte-Regel die auf den Physiker Otto Laporte zurückgeht. Diese besagt, dass die erhöhte Lebensdauer des angeregten Zustands auf die hohe molekulare Symmetrie des molekularen Rubins zurückzuführen ist.

Vergleicht man die Lebensdauer angeregter elektronischer Zustände mit jenen von Eisenverbindungen, dann liegt die erzielte Steigerung beim etwa Zehn- bis Zwölffachen.

Chrom als Ersatz für Edelmetalle

Die Lumineszenz-Quantenausbeute dieses molekularen Rubins beträgt trotz der sehr langen Lebensdauer bis zu 8,2 Prozent. Folglich sollten auch Anwendungen in der Display- und Sensortechnik damit möglich sein. Darüber hinaus zeigten die Forschenden, dass die Chrom-Verbindung klassischen Edelmetallkomplexen auch in der Photokatalyse ähnelt.

Mit der Anwendbarkeit in der Photokatalyse könnte Chrom also in Zukunft teure Ruthenium- und Iridiumverbindungen ersetzen – und deren Gewinnung würde die Umwelt nicht länger belasten.

Publikation:

Steffen Treiling et al.
Luminescence and Light‐Driven Energy and Electron Transfer from an Exceptionally Long‐Lived Excited State of a Non‐Innocent Chromium(III) Complex; Angewandte Chemie International Edition, 10. Oktober 2019; DOI: 10.1002/anie.201909325

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