Wenn Bildschirme leuchten oder Solarenergie in Brennstoffe fliesst, stecken oft teure Edelmetalle dahinter. Chemikerinnen und Chemikern der Universität Basel ist es gelungen, diese seltenen Elemente mit einem deutlich kostengünstigeren Metallelement zu ersetzen. Die Eigenschaften der neuen Materialien kommen denjenigen der bisher verwendeten sehr nahe.
Chrom ist im Alltag vom Chromstahl aus der Küche oder vom verchromten Motorrad bekannt. Vielleicht könnte es bald auch im Bildschirm des allgegenwärtigen Mobiltelefons stecken oder bei der Umwandlung von Solarenergie mithelfen: Forschende um Prof. Dr. Oliver Wenger vom Departement Chemie der Universität Basel haben Chrom-Verbindungen entwickelt, die die Edelmetalle Osmium und Ruthenium in Leuchtstoffen und Katalysatoren ersetzen können – zwei Elemente, die ähnlich selten wie Gold oder Platin sind.
In «Nature Chemistry» berichtet das Team, dass die Leuchtstoffeigenschaften der neuen Chrom-Materialien nahezu gleich gut sind wie bisher verwendete Osmium-Verbindungen. Chrom kommt aber ungefähr 20’000 Mal häufiger in der Erdkruste vor als Osmium und ist wesentlich kostengünstiger.
Die neuen Materialien erweisen sich außerdem als effiziente Katalysatoren von fotochemischen Reaktionen, also Prozessen, die durch Einwirkung von Licht ausgelöst werden wie bei der Fotosynthese. Pflanzen wandeln damit die Energie aus Sonnenlicht in energiereiche Glucose und andere Stoffe um, die 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.
Chrom ersetzt seltene und teure Edelmetalle
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 Energieverluste durch unerwünschte Molekülschwingungen minimieren, sowie die Leuchtstoff- und Katalyseeigenschaften optimieren. Chrom benötigt dazu 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 Chrom unter Bestrahlung mit Licht als sehr viel reaktionsfreudiger als Edelmetalle. Dies ermöglicht fotochemische Reaktionen, die ansonsten schwierig anzustoßen sind. Dies könnte unter anderem auch für die Herstellung von Arzneimittelwirkstoffen von Interesse sein.
In Konkurrenz mit anderen Alternativen
Die Suche nach nachhaltigen und kostengünstigen Materialien ohne 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 also 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 Wenger. «Fest steht jedoch, dass die Postdocs Dr. Narayan Sinha und Dr. Christina Wegeberg gemeinsam wichtige Fortschritte erzielt haben.»
Wenger und seine Forschungsgruppe streben als nächstes die Weiterentwicklung ihrer Materialien auf größerer 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 Speicherung von Sonnenlicht in Form von chemischer Energie wie in der Fotosynthese ein großes Stück näher rückt.