Chrom ersetzt seltene und teure Edelmetalle

Teure Edelmetalle spielen oft eine entscheidende Rolle bei der Beleuchtung von Bildschirmen oder der Umwandlung von Sonnenenergie in Kraftstoffe. Jetzt Chemiker an der Universität Baselist es gelungen, diese seltenen Elemente zu ersetzen mit einem deutlich günstigeren Metall. Die neuen Materialien ähneln in ihren Eigenschaften stark denen der Vergangenheit.

Wir kennen Chrom aus alltäglichen Anwendungen wie Chromstahl in der Küche oder verchromten Motorrädern. Bald könnte das Element aber auch in den Bildschirmen allgegenwärtiger Mobiltelefone zu finden sein oder zur Umwandlung von Sonnenenergie genutzt werden. Forscher um Professor Oliver Wenger vom Departement Chemie der Universität Basel haben Chromverbindungen entwickelt, die die Edelmetalle Osmium und Ruthenium – zwei Elemente, die fast so selten sind wie Gold oder Platin – in Leuchtstoffen und Katalysatoren ersetzen können. Das Team berichtet in Nature Chemistry, dass die Lumineszenzeigenschaften der neuen Chrommaterialien fast so gut sind wie einige der bisher verwendeten Osmiumverbindungen. Im Vergleich zu Osmium kommt Chrom in der Erdkruste jedoch etwa 20.000-mal häufiger vor – und ist viel billiger.

Die neuen Materialien erweisen sich auch als effiziente Katalysatoren für photochemische Reaktionen, darunter Prozesse, die durch Lichteinwirkung ausgelöst werden, wie etwa die Photosynthese. Pflanzen nutzen diesen Prozess, um Energie aus Sonnenlicht in energiereiche Glukose und andere Stoffe umzuwandeln, die als Brennstoff für biologische Prozesse dienen.

Bestrahlt man die neuen Chromverbindungen mit einer roten Lampe, kann die Energie des Lichts in Molekülen gespeichert werden, die dann als Stromquelle dienen können. „Hier besteht auch das Potenzial, unsere neuen Materialien in der künstlichen Photosynthese zur Herstellung von Solarkraftstoffen einzusetzen“, erklärt Wenger.

Um die Chromatome zum Leuchten zu bringen und Energie umzuwandeln, bauten die Forscher sie in ein organisches Molekülgerüst aus Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff ein. Das Team hat dieses organische Gerüst besonders steif gestaltet, damit die Chromatome gut verpackt sind. Diese maßgeschneiderte Umgebung trägt dazu bei, Energieverluste aufgrund unerwünschter Molekülschwingungen zu minimieren und die Lumineszenz- und katalytischen Eigenschaften zu optimieren. Der Nachteil der neuen Materialien besteht darin, dass Chrom ein komplexeres Gerüst benötigt als Edelmetalle – und daher in Zukunft weitere Forschung erforderlich ist.

Eingehüllt in sein starres organisches Gerüst erweist sich Chrom bei Lichteinwirkung als deutlich reaktiver als Edelmetalle. Dies ebnet den Weg für photochemische Reaktionen, die sonst schwer auszulösen wären. Eine mögliche Anwendung könnte in der Herstellung pharmazeutischer Wirkstoffe liegen.

Die Suche nach nachhaltigen und kostengünstigen Materialien ohne Edelmetalle konzentrierte sich lange Zeit vor allem auf Eisen und Kupfer. Andere Forschungsgruppen haben mit beiden Elementen bereits vielversprechende Ergebnisse erzielt und Chrom wurde in der Vergangenheit auch in Leuchtstoffe eingebaut.

In vielen Fällen blieben die lumineszierenden und katalytischen Eigenschaften dieser Materialien jedoch weit hinter denen von Materialien zurück, die seltene und teure Edelmetalle enthielten, und stellten daher keine echte Alternative dar. Die neuen Materialien aus Chrom zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Chromform enthalten, die den Edelmetallen besonders ähnlich ist, und dadurch Lumineszenz- und Katalyseeffizienzen erreichen, die denen von Materialien, die solche Metalle enthalten, sehr nahe kommen.

„Im Moment scheint es unklar, welches Metall letztendlich das Rennen machen wird, wenn es um zukünftige Anwendungen in Leuchtstoffen und künstlicher Photosynthese geht“, sagt Wenger. „Fest steht jedoch, dass die Postdocs Dr. Narayan Sinha und Dr. Christina Wegeberg gemeinsam wichtige Fortschritte gemacht haben.“

Als nächstes wollen Wenger und seine Forschungsgruppe ihre Materialien in größerem Maßstab entwickeln, um eine breitere Prüfung möglicher Anwendungen zu ermöglichen. Durch weitere Verbesserungen wollen sie eine Lichtemission in unterschiedlichen Spektralfarben von Blau über Grün bis Rot erreichen. Außerdem wollen sie die katalytischen Eigenschaften weiter optimieren, um uns der Umwandlung von Sonnenlicht in chemische Energie zur Speicherung – wie bei der Photosynthese – einen großen Schritt näher zu bringen.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Universität Basel veröffentlicht