Les chercheurs de l'Université de Bâle ont franchi une étape importante dans leur quête pour produire des matériaux luminescents et des catalyseurs plus durables pour convertir la lumière du soleil en d'autres formes d'énergie. Basé sur le manganèse métallique bon marché, ils ont développé une nouvelle classe de composés aux propriétés prometteuses qui se trouvaient jusqu'à présent principalement dans les composés de métaux nobles.

Écrans de smartphones et catalyseurs pour la photosynthèse artificielle - pour produire des carburants à partir de la lumière du soleil, par exemple, contiennent souvent des métaux très rares. Iridium, par exemple, qui est utilisé dans les diodes électroluminescentes organiques (OLED), est plus rare que l'or ou le platine. Ruthénium, utilisé dans les cellules solaires, est aussi l'un des éléments stables les plus rares. Ces métaux ne sont pas seulement très chers, en raison de leur rareté, mais aussi toxique dans de nombreux composés.

Maintenant, une équipe dirigée par le professeur Oliver Wenger et son doctorant Patrick Herr de l'Université de Bâle ont réussi pour la première fois à produire des complexes de manganèse luminescents dans lesquels l'exposition à la lumière provoque les mêmes réactions que dans les composés du ruthénium ou de l'iridium. Les résultats ont été publiés dans la revue Chimie de la nature . L'avantage d'utiliser du manganèse est que l'élément est 900, 000 fois plus abondant dans la croûte terrestre que l'iridium, tout en étant nettement moins toxique et plusieurs fois moins cher.

Photochimie rapide

Maintenant, les nouveaux complexes de manganèse sont moins performants que les composés d'iridium en termes d'efficacité lumineuse. Cependant, les réactions lumineuses nécessaires à la photosynthèse artificielle, telles que les réactions de transfert d'énergie et d'électrons, se déroulent à grande vitesse. Cela est dû à la structure particulière des nouveaux complexes, ce qui conduit à un transfert de charge immédiat du manganèse vers ses partenaires de liaison directs lors de l'excitation par la lumière. Ce principe de conception des complexes est déjà utilisé dans certains types de cellules solaires, bien que jusqu'à présent, il ait principalement comporté des composés de métaux nobles, et parfois des complexes à base de cuivre, un métal moins noble.

Prévention des vibrations indésirables

L'absorption de l'énergie lumineuse provoque normalement une plus grande distorsion dans les complexes constitués de métaux bon marché que dans les composés de métaux nobles. Par conséquent, les complexes se mettent à vibrer et une grande partie de l'énergie lumineuse absorbée est perdue. Les chercheurs ont pu supprimer ces distorsions et vibrations en incorporant des composants moléculaires sur mesure dans les complexes afin de forcer le manganèse dans un environnement rigide. Ce principe de conception augmente également la stabilité des composés résultants et leur résistance aux processus de décomposition.

Jusqu'à maintenant, personne n'a réussi à créer des complexes moléculaires avec du manganèse qui peuvent briller en solution à température ambiante et qui ont ces propriétés réactionnelles particulières, dit Wenger. "Patrick Herr et les post-doctorants impliqués ont vraiment fait une percée à cet égard, une percée qui ouvre de nouvelles opportunités au-delà du domaine des métaux nobles." Dans les futurs projets de recherche, Wenger et son groupe souhaitent améliorer les propriétés luminescentes des nouveaux complexes de manganèse et les ancrer sur des matériaux semi-conducteurs appropriés pour une utilisation dans les cellules solaires. D'autres améliorations possibles incluent des variantes hydrosolubles des complexes de manganèse qui pourraient potentiellement être utilisées à la place des composés de ruthénium ou d'iridium dans la thérapie photodynamique utilisée pour traiter le cancer.