Wissenschaftler:innen der Universität Paderborn um Prof. Dr. Matthias Bauer ist zusammen mit einem inter-nationalen Team von Forscher:innen der Universitäten Rostock, Mainz, Göttingen und Kassel ein Durchbruch auf dem Gebiet der nachhaltigen Chemie gelungen. Auch Prof. Dr. Stephan Hohloch vom Institut für Allgemeine, Anorganische und Theoretische Chemie an der Universität Innsbruck war an dieser Arbeit beteiligt. Den Forscher:innen gelang es, einen chemischen Komplex zu entwickeln, der Licht für Reaktionen und optische Anwendungen in Energie umwandelt – und zwar nachhaltig. Denn: Durch den Stoff kann extrem viel CO2 eingespart werden. Einsatz könnte die neue Verbindung zum Beispiel bei Dioden oder bei der Umwandlung von Sonnen- in chemische Energie finden. Die Ergebnisse wurden jetzt im internationalen Fachmagazin „Nature Chemistry“ veröffentlicht.
Kohlenstoffdioxid einsparen: Potenzial ist enorm
„Das Besondere an diesem Komplex ist, dass er im Gegensatz zu aktuell üblichen Systemen Eisen als zentrales Element enthält“, sagt Prof. Bauer. Bisher werden für photochemische Reaktionen und photophysikalische Anwendungen meist Verbindungen auf Edelmetallbasis verwendet, bei deren Herstellung entstehen allerdings Kohlenstoffdioxid-Emissionen von ca. 30 Tonnen pro Kilogramm. Werden Edelmetalle durch Eisen ersetzt, ist das Einsparpotenzial an klimaschädlichem CO2 enorm. Zum Vergleich: Bei der Herstellung von einem Kilogramm Eisen entstehen nur rund zwei Kilogramm des klimaschädlichen Gases.
Ein einzelnes Atom verändert vieles
„Mit dem Design der untersuchten Verbindung ist es uns zum ersten Mal gelungen, eine Eigenschaft zu realisieren, die bei chemischen Verbindungen äußerst selten und in Eisenverbindungen beispiellos ist“, erklärt Dr. Jakob Steube, einer der Hauptverantwortlichen in Bauers Team. Der Komplex leuchtet in zwei verschiedenen Farben, wenn er mit Licht einer bestimmten Energie angeregt wird. Dank dieser photophysikalischen Eigenschaften könnten in Zukunft zum Beispiel Weißlicht-Dioden auf Basis von Eisenverbindungen realisiert werden. Außerdem lässt sich mit dem Komplex Sonnenenergie in chemische Energie umwandeln. Die Forscher:innen konnten zeigen, dass nach der Absorption mit Licht chemische Reaktionen mit der neuen Verbindung möglich sind. Dadurch ergibt sich eine „Nachhaltigkeit hoch zwei“, nämlich Energieumwandlung mit einer nahezu CO2-neutralen Verbindung plus die Kombination von Anwendungsmöglichkeiten in der Photochemie und Photophysik.
„Es ist immer wieder faszinierend, welche Auswirkung der Tausch eines einzelnen Atoms haben kann: In diesem Fall Stickstoff gegen Kohlenstoff im organischen Liganden des Komplexes“, sagt Stephan Hohloch, Professor für molekulare anorganische Chemie an der Universität Innsbruck. „Dieser Tausch führte letztlich zu dem beschriebenen Durchbruch auf dem Gebiet eisenbasierter photoaktiver Materialien. Die gefundenen photophysikalischen Eigenschaften der Verbindung versprechen für die Zukunft eine vielversprechende und nachhaltige Anwendung dieser Komplexe.“ Prof. Hohloch war in der Studie an der Röntgenstrukturanalyse, einer 3-dimensionalen Strukturaufklärung der Verbindung, beteiligt.
Chemische Reaktionen auch in Zukunft nachhaltig durchführen
Die Ergebnisse wurden im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Lichtgesteuerte Reaktivität von Metallkomplexen“ erzielt. Unter der Leitung der Mitautorin Prof. Dr. Katja Heinze von der Universität Mainz geht es bei dem Programm um die Frage, wie chemische Reaktionen trotz knapper werdender Ressourcen auch in Zukunft nachhaltig durchgeführt und gleichzeitig neue Energiequellen wie das Sonnenlicht genutzt werden können. Mit den Schwerpunktprogrammen verfügt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) über ein einzigartiges Förderinstrument, um aktuelle wissenschaftliche Fragestellungen von hoher gesellschaftlicher Relevanz gemeinsam mit Konsortien aus ganz Deutschland zu bearbeiten.
Publikation
J. Steube, A. Kruse, O.S. Bokareva, T. Reuter, S. Demeshko, R. Schoch, M.A. Argüello Cordero, A. Krishna, S. Hohloch, F. Meyer, K. Heinze, O. Kühn, S. Lochbrunner, M. Bauer: Janus-type emission from a Cyclometalated Iron(III) complex, Nature Chem., 2023, 15, 468–474. https://doi.org/10.1038/s41557-023-01137-w