Chrom war und ist in unserem Alltag vom Chromstahlbecken in der Küche, vom Besteck her oder vom verchromten Motorrad oder den verchromten Stossstangen eines Oldtimers her vielen Leuten bekannt. Vielleicht könnte es aber auch bald im Bildschirm unseres Smartphones stecken oder bei der Umwandlung von Solarenergie mithelfen!
Warum?
Forschende um Prof. Dr. Oliver Wenger vom Departement Chemie der Universität Basel haben «eine Nuss geknackt» und solche Chrom-Verbindungen entwickelt, welche die Edelmetalle Osmium und Ruthenium in den Leuchtstoffen und Katalysatoren vollständig ersetzen können – zwei Elemente, die ähnlich selten wie Gold oder Platin sind und bei denen vor allem die Chinesen auf Vorräten sitzen und der Welt die Mengen und Preise diktieren.
In «Nature Chemistry» berichtet das Team, dass die Leuchtstoffeigenschaften der neuen Chrom-Materialien nahezu gleich gut sind wie die bisher verwendeten Osmium-Verbindungen.
Chrom kommt nämlich ungefähr 20’000 mal häufiger in der Erdkruste vor als Osmium und ist wesentlich kostengünstiger als dieses.
Die neuen Materialien erweisen sich ausserdem als effiziente Katalysatoren von fotochemischen Reaktionen, also den Prozessen, die durch die Einwirkung von Licht ausgelöst werden wie z.B. bei der Fotosynthese. Pflanzen wandeln bekanntlich damit die Energie aus Sonnenlicht in die energiereiche Glukose und andere Stoffe um, die dann als Energielieferant für biologische Vorgänge dienen.
Bestrahlt man die neuen Chrom-Verbindungen mit einer roten Lampe, so kann die Energie des Lichts in Molekülen gespeichert werden, die wiederum als Brennstoff für andere Prozesse dienen können. «Hier besteht also Potenzial, unsere neuen Materialien in der künstlichen Fotosynthese einzusetzen, um solare Brennstoffe herzustellen», erklärt Oliver Wenger.
Um die Chrom-Atome zum Leuchten zu bringen und als Katalysator nutzbar zu machen, bauten die Forschenden sie in ein organisches Molekülgerüst ein, das aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff besteht.
Dieses organische Gerüst gestaltete das Team so, dass es besonders steif ist und die Chrom-Atome gut eingepackt sind. In dieser massgeschneiderten Umgebung lassen sich nun Energieverluste durch unerwünschte Molekülschwingungen minimieren, sowie die Leuchtstoff- und Katalyseeigenschaften optimieren.
Chrom benötigt dazu aber ein aufwendigeres Gerüst als Edelmetalle. Darin besteht der Nachteil der neuartigen Materialien und für die Zukunft noch weiterer Forschungsbedarf.
Eingepackt in seinem steifen organischen Gerüst erweist sich das Chrom unter Bestrahlung mit Licht als sehr viel reaktionsfreudiger als Edelmetalle. Dies ermöglicht fotochemische Reaktionen, die ansonsten schwierig anzustossen sind.
Die Suche nach nachhaltigen und kostengünstigen Materialien ohne die bekannten Edelmetalle konzentrierte sich lange vor allem auf Eisen und Kupfer. Mit beiden Elementen erzielten andere Forschungsgruppen bereits vielversprechende Resultate, und auch Chrom konnte schon früher in Leuchtstoffe eingebracht werden.
Die Leuchtstoff- und Katalyse-Eigenschaften dieser Materialien blieben aber oft weit hinter denjenigen zurück, die seltene und teure Edelmetalle enthalten – boten deshalb keine echte Alternative.
Anders die aus Chrom aufgebauten neuen Materialien: darin liegt eine Form von Chrom vor, in der es den Edelmetallen ganz besonders ähnelt. Sie erreichen Leuchtstoff- und Katalyse-Effizienzen, die den edelmetallhaltigen Materialien sehr nahekommen.
«Welches Metall letztlich für zukünftige Anwendungen in Leuchtstoffen und in der künstlichen Fotosynthese das Rennen machen wird, scheint gegenwärtig offen», sagt Forscher Professor Wenger. «Fest steht jedoch, dass die Postdocs Dr. Narayan Sinha und Dr. Christina Wegeberg gemeinsam wichtige Fortschritte erzielt haben.»
Prof. Wenger und seine Forschungsgruppe streben als nächstes die Weiterentwicklung ihrer Materialien auf einer grösseren Mengenskala an, um deren Anwendungspotenzial breiter testen zu können.
Durch zusätzliche Verbesserungen wollen sie Leuchten in verschiedenen Spektralfarben von blau über grün bis rot erreichen. Ausserdem sollen die Katalyse-Eigenschaften weiter optimiert werden, so dass die Umwandlung und die Speicherung von Sonnenlicht in Form von chemischer Energie – wie in der Fotosynthese – ein grosses Stück näher rücken.
Schauen wir hoffnungsvoll in die Zukunft.
Originalpublikation:
Narayan Sinha, Christina Wegeberg, Daniel Häussinger, Alessandro Prescimone and Oliver S. Wenger:
Photoredox-active Cr(0) luminophores featuring photophysical properties competitive with Ru(II) and Os(II) complexes
Nature Chemistry (2023), doi: 10.1038/s41557-023-01297-9
Foto: Chromglänzender Nussknacker. Aus dem Katalog der Drechslerei Moser aus Rebstein/ Kanton St. Gallen.
Aus dem Katalog der Drechslerei Moser aus Rebstein/ Kanton St. Gallen.
