Kostengünstiger Molybdänkomplex ebnet den Weg für nachhaltige Photochemie

Angesichts der dringenden Notwendigkeit, die Art und Weise, wie wir Energie nutzen und erzeugen, zu verändern, arbeiten Forscher intensiv daran, nachhaltige und kostengünstige Materialien für lichtbetriebene chemische Anwendungen zu finden. Bisher ist dieses Forschungsgebiet stark auf teure Edelmetall- oder Seltenerdmetallkomplexe angewiesen, die nur in begrenztem Umfang in der Erdkruste vorkommen.

Obwohl in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bei der Etablierung von Alternativen unter Verwendung erdverfügbarer Elemente erzielt wurden, ist die Herstellung dieser Materialien in der Regel sehr schwierig, da die Produktion ressourcenintensive mehrstufige Synthesen erfordert.

Ein Team von Forschern der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) und des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPIP) unter der Leitung von Professorin Katja Heinze und ihrer Doktorandin hat jedoch herausgefunden, dass die Forscherinnen und Forscher der Universität Mainz (JGU), der Universität Kaiserslautern-Landau (RPTU) und dem Max-Planck-Institut für Polymerforschung (MPIP) unter der Leitung von Professorin Katja Heinze und ihrer Doktorandin Dr. Dem Studenten Winald Kitzmann gelang ein bedeutender Durchbruch, indem er das Beste aus beiden Welten kombinierte: ein kostengünstiges und reichlich vorhandenes Metall, Molybdän, mit einer einfachen Synthesemethode.

Das Team demonstrierte die Vielseitigkeit des Moleküls, indem es es bei der Umwandlung von niederenergetischem in energiereiches Licht und als Photokatalysator zum Antreiben chemischer Reaktionen einsetzte – zwei Strategien, die es uns ermöglichen könnten, unsere Energie in Zukunft besser zu nutzen.

Einfacher zweistufiger Syntheseprozess

In ihrem Artikel „Stable Molybdenum(0) Carbonyl Complex for Upconversion and Photoredox Catalysis“, veröffentlicht im Zeitschrift der American Chemical Societystellen die Forscher einen neuartigen Ansatz zum Design stabiler photoaktiver Komplexe vor, die auf einem Molybdänatom in Kombination mit Carbonylliganden basieren. Die Synthese dieses Moleküls ist sehr einfach und erfordert nur zwei Schritte.

„Viele in der Forschungsliteratur zitierte Beispiele haben fantastische Eigenschaften, deren Herstellung jedoch Monate dauert“, sagte Alexander Fischer, der für seine Masterarbeit im Heinze-Labor der JGU gearbeitet hatte und Mitautor der Studie war. „Ich war erstaunt zu sehen, dass man den Molybdänkomplex an nur einem einzigen Tag synthetisieren kann.“

Mit den hochentwickelten Laserspektrometern der JGU, des MPIP und der RPTU zeigte das Team, dass die Absorption von Licht einen angeregten Zustand im Komplex bevölkert, der über mehrere hundert Nanosekunden anhält.

„Das hört sich vielleicht kurz an, ist aber lang genug, um den angeregten Zustand für photochemische Transformationen nutzen zu können“, erklärt Winald Kitzmann. „Tatsächlich ist die Natur dieses Zustands von Materialien auf Edelmetallbasis gut bekannt, sodass wir bereits wussten, wie wir ihn am besten nutzen können.“

Hervorragende Ergebnisse im Praxistest

Herkömmliche Carbonylkomplexe sind berüchtigt dafür, dass sie sich unter Lichteinstrahlung zersetzen, eine Tatsache, die von Anfang an wie ein Damoklesschwert über dem Projekt hing. Allerdings erwies sich der Molybdänkomplex als äußerst fotostabil. „Diese bemerkenswerte Stabilität unserer neuen Verbindung – selbst bei hohen Lichtintensitäten – hat uns wirklich überrascht“, erinnert sich Professorin Katja Heinz, Leiterin der Forschungsgruppe, die die Untersuchung leitete. „Im Gegensatz zu vielen früheren Beispielen wird die Anwendbarkeit unseres Komplexes also nicht durch eine schlechte Photostabilität eingeschränkt“, fügte sie hinzu.

Fortschrittliche quantenchemische Berechnungen enthüllten die Hauptgründe für diesen Erfolg. Mit diesem Wissen konnten die Forscher außerdem vorschlagen, wie diese Eigenschaften in künftig entworfene Materialien integriert werden können.

Für die Anwendung des Molybdäncarbonylmaterials zielte das Team auf zwei Anwendungen ab, nämlich Photonen-Upconversion und Photokatalyse. Bei der Photonen-Upconversion werden zwei niederenergetische Photonen in ein hochenergetisches Photon umgewandelt, ein Prozess, der prinzipiell die Effizienz von Solarzellen steigern kann, indem das genutzte Sonnenspektrum auf niederenergetisches Licht erweitert wird. Bei der Photokatalyse wird der Molybdänkomplex verwendet, um eine chemische Reaktion mit Licht anzutreiben, für deren Ablauf ansonsten raue Bedingungen erforderlich wären.

In beiden Arten von Experimenten schnitt der Komplex sehr gut ab und kam den traditionellen Edelmetallverbindungen nahe oder übertraf sie in einigen Fällen sogar. Insgesamt stellen diese Erkenntnisse einen bedeutenden Beitrag zum Bereich der nachhaltigen Photochemie dar und bieten einen vielversprechenden Weg für die Entwicklung kostengünstiger Materialien mit nützlicher Photoaktivität.