Новий комплекс на основі марганцю(I) встановив рекорд тривалості збудженого стану, відкриваючи шлях до масштабного застосування у фотохімії майбутнього. Хімічні реакції зазвичай потребують тепла, однак дедалі частіше науковці використовують світло як джерело енергії, адже воно дозволяє керувати процесом із надзвичайною точністю. Такий підхід називається фотохімією.
Довгий час фотохімічні реакції ґрунтувалися на використанні рідкісних і дорогих металів — таких як рутеній, осмій чи іридій, — видобуток яких також має серйозні екологічні наслідки. Тепер дослідники з Університету імені Йоганна Гутенберга в Майнці (JGU) створили проривний металевий комплекс, у якому ключову роль відіграє марганець — елемент поширений, недорогий і екологічно безпечний.
“Цей металевий комплекс задає новий стандарт у фотохімії: він поєднує рекордно довгий час життя збудженого стану з простою технологією синтезу,” — зазначає професорка Катья Хайнце з кафедри хімії JGU.
“Він пропонує потужну й екологічно стійку альтернативу благородним металам, які десятиліттями домінували у світлозалежних реакціях.”
Результати дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.
Одноступеневий синтез і потужне поглинання світла
Попри те, що марганець зустрічається на Землі у понад 100 000 разів частіше, ніж рутеній, його застосування у фотохімії тривалий час було обмеженим. Причиною цього був складний синтез, який зазвичай вимагав дев’ять чи десять етапів, а також надзвичайно короткий час збудженого стану.
“Новий марганцевий комплекс подолав обидві ці проблеми,” — пояснює доктор Нейтан Іст, колишній аспірант групи Хайнце. — “Матеріал синтезується безпосередньо з доступних комерційних реагентів лише в один етап.”
У дослідженні також використовувався спеціальний ліганд, який дозволяє точно налаштовувати властивості комплексу.
“Коли безбарвна сіль марганцю поєднується з безбарвним лігандом, розчин миттєво набуває глибокого пурпурного кольору, як чорнило. Це надзвичайно рідкісне явище для сполук марганцю, тож ми одразу зрозуміли — відбувається щось унікальне,” — додає дослідниця Сандра Кроненбергер.
Отриманий комплекс не лише має яскравий вигляд, а й демонструє вражаючі властивості: він дуже ефективно поглинає світло, тобто з високою ймовірністю вловлює фотони, що робить його надзвичайно енергоефективним.
Рекорд тривалості збудженого стану
“Тривалість збудженого стану комплексу — 190 наносекунд, що у сто разів перевищує показники всіх відомих сполук на основі звичайних металів, таких як залізо чи марганець,” — зазначає доктор Роберт Науманн, головний науковець проєкту.
У фотохімії каталізатор (у цьому випадку — марганцевий комплекс) активується світлом і передає електрон іншій молекулі. Оскільки частинки потребують часу, щоб зустрітися, важливо, щоб збуджений стан тривав якомога довше. Команда також підтвердила, що комплекс справді виконує очікувану функцію — передає електрон іншій молекулі, тобто працює як ефективний фотохімічний каталізатор.
Це відкриття розширює межі сталої фотохімії. Завдяки простому синтезу, високій ефективності поглинання світла та рекордно тривалому збудженому стану новий матеріал на основі марганцю може стати основою для масштабних фотохімічних застосувань майбутнього — зокрема у виробництві зеленого водню та інших екологічних технологіях.