Манган встановив рекорд тривалості збудженого стану в фотохімії

Хімічні реакції зазвичай потребують тепла, але науковці дедалі частіше використовують світло як джерело енергії, оскільки воно дозволяє керувати реакціями з надзвичайною точністю. Цей процес називається фотохімією.

До недавнього часу фотохімічні реакції залежали від рідкісних і дорогих металів, таких як рутеній, осмій або іридій, які також створюють екологічні проблеми під час видобутку. Тепер дослідники з Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці створили революційний металевий комплекс, який використовує манган — елемент, що є водночас поширеним і недорогим.

«Цей металевий комплекс встановлює новий стандарт у фотохімії: він поєднує рекордну тривалість збудженого стану з простим синтезом», — заявила професорка Катя Хайнце з кафедри хімії Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці. «Таким чином він пропонує потужну та стійку альтернативу комплексам благородних металів, які довго домінували у хімії, керованій світлом».

Результати дослідження нещодавно опублікували у журналі Nature Communications.

Манган більш ніж у сто тисяч разів поширеніший на Землі, ніж рутеній, але його використання у фотохімії довгий час було обмеженим. Це значною мірою пояснювалося складним багатоетапним процесом синтезу, який часто вимагав дев'яти або десяти стадій, а також дуже коротким часом життя його збудженого стану.

«Новостворений манганевий комплекс долає обидва виклики», — пояснив доктор Натан Іст, колишній докторант групи Хайнце, який провів оригінальний синтез. Новий матеріал синтезується безпосередньо з комерційно доступних вихідних матеріалів — лише за один етап синтезу.

Окрім мангану, дослідники використовують ліганд, який дозволяє налаштовувати властивості комплексу.

«Поєднання безбарвної солі мангану та безбарвного ліганду в розчині миттєво створює глибокий фіолетовий колір, схожий на чорнило. Це дуже незвичайний колір для манганевого комплексу, що показало нам, що відбувається щось унікальне», — додала Сандра Кроненбергер, яка продовжила дослідження цього нового манганевого комплексу як докторантка в групі Хайнце в Центрі випускників Макса Планка.

Отриманий манганевий комплекс не лише виглядає вражаюче, він також демонструє чудові властивості. «Його поглинання світла виняткове сильне, тобто ймовірність захоплення світлової частинки дуже висока — комплекс таким чином використовує світло дуже ефективно», — пояснив доктор Крістоф Ферстер, який підтримав проект квантово-хімічними розрахунками.

«Тривалість життя комплексу в 190 наносекунд також є чудовою. Це на два порядки довше, ніж будь-які раніше відомі комплекси, що містять поширені метали, такі як залізо або манган», — сказав провідний науковець і спектроскопіст доктор Роберт Науманн, який охарактеризував динаміку збудженого стану комплексу за допомогою люмінесцентної спектроскопії.

У фотохімії каталізатор, у цьому випадку манганевий комплекс, збуджується світлом. Коли він стикається з іншою молекулою через дифузію, він передає їй електрон. Оскільки частинкам може знадобитися наносекунди, щоб знайти одна одну, збуджений стан повинен тривати якомога довше.

Але чи справді комплекс робить те, на що сподіваються дослідники, тобто передає електрон іншій молекулі? «Ми змогли виявити початковий продукт фотореакції — перенесення електрона, яке відбулося, — і таким чином довести, що комплекс реагує так, як потрібно», — підсумувала професорка Катя Хайнце.

Це відкриття розширює межі стійкої фотохімії. Завдяки масштабованому одноетапному синтезу, ефективному поглинанню світла, надійній фотофізичній поведінці та довготривалому збудженому стану новий матеріал, що містить манган, прокладає шлях для майбутніх масштабних застосувань фотореакцій. Це може бути важливим для майбутніх застосувань, наприклад, для стійкого виробництва водню.

Дослідники з Університету Йоганнеса Гутенберга в Майнці продемонстрували, що манган може стати реальною альтернативою дорогим благородним металам у фотохімії. Новий комплекс поєднує доступність, простоту виробництва та високу ефективність, що робить його перспективним для промислового використання. Рекордна тривалість збудженого стану в 190 наносекунд дає достатньо часу для перенесення електронів між молекулами, що є критично важливим для успішних фотохімічних реакцій.

Відкриття може мати значний вплив на розвиток екологічно чистих технологій, зокрема у сфері виробництва водню як альтернативного джерела енергії. Використання поширених і недорогих металів замість рідкісних благородних елементів знижує вартість виробництва та зменшує екологічний слід технологій.