Il rubino molecolare [Cr(bpmp)2 ] 3+ con uno ione centrale di cromo (III) abbondante in terra sensibilizza la conversione verso l'alto dell'annichilazione tripletta-tripletta da verde a blu con 9,10-difenilantracene come annichilatore. Il processo prevede un'efficienza di trasferimento di energia quasi unitaria tramite un percorso di reazione sottoesplorato, uno spostamento anti-Stokes di 0,54 eV e una resa quantica massima di upconversion del 12,0 %. Credito:Angewandte Chemie International Edition (2022). DOI:10.1002/anie.202202238
Le applicazioni chimiche sostenibili devono essere in grado di utilizzare fonti di energia rinnovabile, materie prime rinnovabili ed elementi ricchi di terra. Tuttavia, fino ad oggi molte tecniche sono state possibili solo con l'uso di costosi metalli preziosi o terre rare, la cui estrazione può avere gravi impatti ambientali. Un team di ricercatori, tra cui la professoressa Katja Heinze e il professor Christoph Kerzig della Johannes Gutenberg University Mainz (JGU), nonché la dott.ssa Ute Resch-Genger della Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) ha ora raggiunto una svolta nell'uso di cromo, un metallo di base abbondante che il gruppo di Heinze sta studiando da tempo.
Le nuove scoperte mostrano che i composti di cromo, chiamati anche rubini molecolari, possono sostituire costosi metalli preziosi nella conversione dei fotoni. La conversione dei fotoni (UC) è un processo in cui l'assorbimento sequenziale di due fotoni di energia inferiore porta all'emissione di un fotone di energia superiore. In linea di principio, questo fotone di energia superiore può essere impiegato per espandere l'uso della luce solare a bassa energia nelle celle solari o reazioni fotochimiche che altrimenti richiedono luce UV per l'attivazione. L'uso di rubini molecolari può quindi aiutare a ridurre l'impatto di processi dannosi per l'ambiente come l'estrazione di metalli preziosi o elementi di terre rare e ad espandere la fotochimica a processi più sostenibili.
Composti di cromo come alternativa promettente
La maggior parte delle applicazioni fotochimiche e fotofisiche come diodi organici fosforescenti a emissione di luce, celle solari sensibilizzate con coloranti o reazioni chimiche guidate dalla luce utilizzano metalli preziosi come oro, platino, rutenio, iridio o terre rare. Tuttavia, i metalli preziosi sono costosi perché scarsi mentre gli elementi delle terre rare vengono estratti solo in pochi paesi, in Cina in particolare. Inoltre, la loro estrazione comporta spesso un notevole consumo di acqua, energia e prodotti chimici. In alcuni casi, come l'estrazione dell'oro, vengono utilizzate sostanze altamente tossiche come il cianuro o il mercurio.
D'altra parte, le risorse del metallo cromo, che prende il nome dall'antica parola greca per colore, sono 10.000 volte più abbondanti nella crosta terrestre rispetto a quelle del platino e 100.000 volte maggiori di quelle dell'iridio, il che significa che è disponibile in quantità sufficienti. "Purtroppo, le proprietà fotofisiche di metalli abbondanti come il cromo o il ferro non sono abbastanza buone per essere utili nelle applicazioni tecnologiche, specialmente quando si tratta della vita e delle energie dei loro stati eccitati elettronicamente", ha spiegato la professoressa Katja Heinze del Dipartimento di Chimica della JGU . Un progresso significativo in questo senso è stato compiuto solo negli ultimi anni, con il team di Heinze che è stato uno dei principali contributori. Sono stati anche coinvolti nello sviluppo dei cosiddetti rubini molecolari. Questi sono composti molecolari solubili che possiedono caratteristiche di stato eccitato eccezionalmente buone. I rubini molecolari sono già stati utilizzati come termometri ottici molecolari e sensori di pressione.
Osservazione diretta dei processi di trasferimento dell'energia grazie al nuovo dispositivo laser su larga scala
Il team di scienziati di Magonza e Berlino ha ora raggiunto un'altra svolta. "Nel processo, abbiamo osservato un nuovo meccanismo e abbiamo compreso in dettaglio l'elevata efficienza dei nuovi composti del cromo", ha affermato il professor Christoph Kerzig. Gli scienziati sono riusciti a osservare direttamente l'insolito percorso di trasferimento dell'energia utilizzando una configurazione laser recentemente installata nel gruppo di Kerzig. Questa cosiddetta tecnica di fotolisi con flash laser ha consentito loro di rilevare tutti gli intermedi importanti per i meccanismi di upconversion. Inoltre, esperimenti quantitativi con il laser hanno stabilito l'assenza di canali di perdita di energia intrinseci e reazioni collaterali, il che pone le basi per applicazioni efficienti di questo modo inesplorato di trasferire e convertire l'energia solare con composti di cromo.
Di conseguenza, in futuro gli scienziati potrebbero essere in grado di sviluppare nuove reazioni guidate dalla luce utilizzando il comune metallo cromo invece di utilizzare i rari e più costosi composti di rutenio e iridio, che oggi sono ancora i più utilizzati. "Insieme ai nostri partner del BAM di Berlino e di altre università, continueremo a portare avanti i nostri sforzi per sviluppare una fotochimica più sostenibile", ha affermato la professoressa Katja Heinze.
I risultati del gruppo sono stati pubblicati su Angewandte Chemie . + Esplora ulteriormente
