Mehr Solar­strom mit Metall­kom­ple­xen

Die Illustration zeigt eine Verbindung, in deren Zentrum ein Eisenatom sitzt. Es ist von vier Cyan-Gruppen und einem Bipyridin Molekül umgeben. (Bild: T. Splettstößer, HZB)

Im Zentrum von Übergangs­metall-Komplexen sitzt ein Element aus der Gruppe der Übergangs­metalle. Die äußeren Elektronen des Übergangs­metalls befinden sich auf keulenartig ausgedehnten d-Orbitalen, die sich durch äußere Anregung gut beein­flussen lassen. Manche Übergangs­metall-Komplexe beschleunigen als Katalysatoren bestimmte chemische Reaktionen, andere können sogar Sonnenlicht in Strom umwandeln: So basiert die bekannte Farbstoff-Solar­zelle, die Michael Graetzel (EPFL) in den 1990er Jahren entwickelt hat, auf einem Ruthenium-Komplex.

Allerdings ist es bisher nicht gelungen, das seltene und teure Übergangs­metall Ruthenium durch ein preis­werteres Element zu ersetzen, zum Beispiel durch Eisen. Das ist erstaunlich, denn auch beim Eisen befinden sich die gleiche Anzahl an Elektronen auf den äußeren weit aus­gedehnten d-Orbitalen. Die Anregung mit Licht im sicht­baren Bereich setzt jedoch in den meisten bisher untersuchten Eisen-Komplex­verbindungen keine lang­lebigen Ladungs­träger frei. Diese Frage hat nun ein Team an BESSY-II genauer untersucht. Die Gruppe um Alexander Föhlisch hat dafür systematisch unter­schiedliche Eisen-Komplex­verbindungen in Lösung mit weichem Röntgenlicht bestrahlt. Dabei konnten sie mit inelas­tischer Röntgen­streuung messen, wie viel Energie dieses Lichts von den Molekülen absorbiert wurde. Sie unter­suchten Komplexe, in denen das Eisenatom entweder von Bipyridin-Molekülen oder Cyan-Gruppen umgeben waren, sowie Mischformen, in denen das Eisen­zentrum mit je einem Bipyridin und vier Cyan-Gruppen verbunden ist.

Die Messungen zeigten, dass die bisher kaum unter­suchten Misch­formen besonders interes­sant sind: Wenn Eisen nur von drei Bipyridin-Molekülen oder sechs Cyan-Gruppen umgeben ist, dann sorgt eine optische Anregung nur für eine kurzzeitige oder gar keine Frei­setzung von Ladungs­trägern. Anders wird es erst, wenn man zwei der Cyan­gruppen durch ein Bipyridin-Molekül ersetzt. „Dann sehen wir durch die Anregung mit weichem Röntgen­licht wie 3d-Orbitale vom Eisen delokalisieren und bei den Cyan­gruppen verortet werden können, während gleichzeitig das Bipyridin-Molekül den Ladungs­träger aufnehmen kann“, erklärt Raphael Jay, der über das Thema promoviert. Die Ergebnisse zeigen, dass sich auch preis­werte Übergangs­metall-Komplexe für den Einsatz in Solar­zellen eignen könnten – sofern man sie mit passenden Molekül­gruppen umgibt. Hier gibt es also noch ein reiches Feld für die Material­entwicklung. (Quelle: HZB / optik-photonik.de)

Referenz: R. M. Jay et al.: The nature of frontier orbitals under systematic ligand exchange in (pseudo-)octahedral Fe(II) complexes, PCCP 20, 27745 (2018); DOI: 10.1039/C8CP04341H

Link: Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung (A. Föhlisch), Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie HZB, Berlin

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