Хром заменяет редкие и дорогие благородные металлы

Дорогие благородные металлы часто играют жизненно важную роль в освещении экранов или преобразовании солнечной энергии в топливо. Теперь химики Базельского университетаудалось заменить эти редкие элементы из значительно более дешевого металла. По своим свойствам новые материалы очень похожи на те, которые использовались раньше.

Мы знакомы с хромом из повседневных применений, таких как хромированная сталь на кухне или хромированные мотоциклы. Однако вскоре этот элемент можно будет найти в экранах вездесущих мобильных телефонов или использовать для преобразования солнечной энергии. Исследователи под руководством профессора Оливера Венгера с химического факультета Базельского университета разработали соединения хрома, которые могут заменить благородные металлы осмий и рутений — два элемента, которые почти так же редки, как золото или платина, — в люминесцентных материалах и катализаторах. В статье для журнала Nature Chemistry команда сообщает, что люминесцентные свойства новых хромовых материалов почти так же хороши, как у некоторых соединений осмия, используемых до сих пор. Однако по сравнению с осмием хрома в земной коре примерно в 20 000 раз больше и он намного дешевле.

Новые материалы также оказываются эффективными катализаторами фотохимических реакций, включая процессы, которые запускаются под воздействием света, такие как фотосинтез. Растения используют этот процесс для преобразования энергии солнечного света в богатую энергией глюкозу и другие вещества, которые служат топливом для биологических процессов.

Если новые соединения хрома облучить красной лампой, энергия света может быть сохранена в молекулах, которые затем могут служить источником энергии. «Здесь также есть потенциал использования наших новых материалов в искусственном фотосинтезе для производства солнечного топлива», — объясняет Венгер.

Чтобы заставить атомы хрома светиться и позволить им преобразовывать энергию, исследователи встроили их в органическую молекулярную структуру, состоящую из углерода, азота и водорода. Команда разработала этот органический каркас так, чтобы он был особенно жестким, чтобы атомы хрома были хорошо упакованы. Эта специально разработанная среда помогает минимизировать потери энергии из-за нежелательных молекулярных вибраций и оптимизировать люминесцентные и каталитические свойства. Недостатком новых материалов является то, что хром требует более сложной структуры, чем благородные металлы, и поэтому в будущем потребуются дальнейшие исследования.

Заключенный в жесткую органическую структуру, хром оказывается гораздо более реакционноспособным, чем благородные металлы, при воздействии света. Это открывает путь для фотохимических реакций, которые иначе трудно инициировать. Потенциальным применением может быть производство активных фармацевтических ингредиентов.

Долгое время поиск экологически чистых и экономически эффективных материалов без благородных металлов был сосредоточен в первую очередь на железе и меди. Другие исследовательские группы уже достигли многообещающих результатов с обоими этими элементами, а хром в прошлом также включался в люминесцентные материалы.

Однако во многих случаях люминесцентные и каталитические свойства этих материалов значительно отставали от свойств материалов, содержащих редкие и дорогие благородные металлы, и поэтому не представляли собой реальной альтернативы. Новые материалы из хрома отличаются тем, что содержат форму хрома, особенно похожую на благородные металлы, благодаря чему достигается люминесцентная и каталитическая эффективность, очень близкая к материалам, содержащим такие металлы.

«На данный момент кажется неясным, какой металл в конечном итоге выиграет гонку, когда дело доходит до будущего применения в люминесцентных материалах и искусственном фотосинтезе», — говорит Венгер. «Однако несомненно то, что постдоки доктор Нараян Синха и доктор Кристина Вегеберг вместе добились важного прогресса».

Далее Венгер и его исследовательская группа стремятся разработать свои материалы в более широком масштабе, чтобы обеспечить более широкое тестирование потенциальных приложений. Внося дополнительные улучшения, они надеются добиться излучения света в разных спектральных цветах: от синего до зеленого и красного. Они также хотят еще больше оптимизировать каталитические свойства, чтобы приблизить нас на важный шаг к преобразованию солнечного света в химическую энергию для хранения — как при фотосинтезе.