Übergangsmetallkomplexe: Gemischtes funktioniert besser

Ein Team von BESSY II hat untersucht, wie verschiedene Eisenkomplexverbindungen Energie aus einfallendem Licht verarbeiten. Sie konnten zeigen, warum bestimmte Verbindungen das Potenzial haben, Licht in elektrische Energie umzuwandeln. Die Ergebnisse sind wichtig für die Entwicklung von organischen Solarzellen. Die Studie wurde nun in der Zeitschrift Physical Chemistry Chemical Physics veröffentlicht.

Übergangsmetallkomplexe haben wichtige Eigenschaften: Ein Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle befindet sich im Zentrum. Die äußeren Elektronen des Übergangsmetallatoms befinden sich in kleeblattförmigen verlängerten d-Orbitalen, die durch äußere Anregung leicht beeinflusst werden können. Einige Übergangsmetallkomplexe wirken als Katalysatoren, um bestimmte chemische Reaktionen zu beschleunigen, andere können sogar Sonnenlicht in Strom umwandeln. Die bekannte Farbstoffsolarzelle, die Michael Graetzel (EPFL) in den 90er Jahren entwickelt hat, basiert auf einem Rutheniumkomplex.

Allerdings war es bisher nicht möglich, das seltene und teure Übergangsmetall Ruthenium durch ein preiswerteres Element, wie beispielsweise Eisen, zu ersetzen. Dies ist bemerkenswert, da die gleiche Anzahl von Elektronen auf den erweiterten äußeren d-Orbitalen von Eisen zu finden ist. Allerdings setzt die Anregung mit Licht aus dem sichtbaren Bereich in den meisten der bisher untersuchten Eisenkomplexverbindungen keine langlebigen Ladungsträger frei.

Ein Team von BESSY II hat diese Frage nun näher untersucht. Die Gruppe um Prof. Alexander Föhlisch hat Eisenkomplexverbindungen in Lösung mit weichem Röntgenlicht systematisch bestrahlt. Sie konnten messen, wie viel Energie dieses Lichts von den Molekülen absorbiert wurde, und zwar mit einem Verfahren namens resonante unelastische Röntgenstreuung, kurz RIXS. Sie untersuchten Komplexe, in denen das Eisenatom entweder von Bipyridinmolekülen oder Cyan-Gruppen (CN) umgeben war, sowie Mischformen, in denen das Eisenzentrum an jeweils eine Bipyridin- und vier Cyan-Gruppe gebunden ist.

Die Teammitglieder arbeiteten zwei Wochen lang im Schichtbetrieb, um die notwendigen Daten zu erhalten. Die Messungen zeigten, dass die bisher kaum untersuchten Mischformen besonders interessant sind: In dem Fall, dass Eisen von drei Bipyridinmolekülen oder sechs Cyan-Gruppen (CN) umgeben ist, führt die optische Anregung nur zu einer kurzfristigen oder gar keinen Freisetzung von Ladungsträgern. Erst wenn zwei der Cyanogruppen durch ein Bipyridinmolekül ersetzt werden, ändert sich die Situation. „Dann können wir mit der weichen Röntgenanregung sehen, wie sich die Eisen-3dorbitale auf die Cyan-Gruppen verlagern, während gleichzeitig das Bipyridinmolekül den Ladungsträger aufnehmen kann“, erklärt Raphael Jay, Erstautor der Studie und Doktorand auf diesem Gebiet.

Die Ergebnisse zeigen, dass kostengünstige Übergangsmetallkomplexe auch für den Einsatz in Solarzellen geeignet sein könnten – wenn sie von geeigneten Molekülgruppen umgeben sind. Hier gibt es also noch ein reichhaltiges Feld für die Materialentwicklung.

Mehr Informationen:
Raphael M. Jay et al, The nature of frontier orbitals under systematic ligand exchange in (pseudo-)oktaedrischen Fe(ii)-Komplexen, Physical Chemistry Chemical Physics (2018). DOI: 10.1039/c8cp04341h

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