Zeldzame metalen te vervangen door chroom

Dure edelmetalen spelen vaak een cruciale rol bij het verlichten van schermen of het omzetten van zonne-energie in brandstoffen. Nu zijn scheikundigen van de Universiteit van Basel erin geslaagd deze zeldzame elementen te vervangen door een aanzienlijk goedkoper metaal: chroom.

Chroom kennen we uit alledaagse toepassingen zoals chroomstaal in de keuken of verchroomde motorfietsen. Binnenkort zal het element echter ook te vinden zijn in de schermen van alomtegenwoordige mobiele telefoons of worden gebruikt om zonne-energie om te zetten.

Onderzoekers onder leiding van professor Oliver Wenger van de afdeling scheikunde van de Universiteit van Basel hebben chroomverbindingen ontwikkeld die de edele metalen osmium en ruthenium – twee elementen die bijna net zo zeldzaam zijn als goud of platina – kunnen vervangen in lichtgevende materialen en katalysatoren. Het team schrijft in Nature Chemistry dat de luminescerende eigenschappen van de nieuwe chroommaterialen bijna net zo goed zijn als die van sommige van de tot nu toe gebruikte osmiumverbindingen. Vergeleken met osmium is chroom echter ongeveer 20.000 keer zo overvloedig aanwezig in de aardkorst – en veel goedkoper.

De nieuwe materialen blijken ook efficiënte katalysatoren te zijn voor fotochemische reacties, inclusief processen die worden veroorzaakt door blootstelling aan licht, zoals fotosynthese. Als de nieuwe chroomverbindingen met een rode lamp worden bestraald, kan de energie uit het licht worden opgeslagen in moleculen die vervolgens als energiebron kunnen dienen. “Hier is er ook het potentieel om onze nieuwe materialen te gebruiken in kunstmatige fotosynthese om zonnebrandstoffen te produceren”, zegt Wenger.

Op maat gemaakte verpakking

Om de chroomatomen te laten gloeien en ze in staat te stellen energie om te zetten, bouwden de onderzoekers ze in een organisch moleculair raamwerk bestaande uit koolstof, stikstof en waterstof. Het team heeft dit organische raamwerk zo ontworpen dat het bijzonder stijf is, zodat de chroomatomen goed verpakt zijn. Deze op maat gemaakte omgeving helpt energieverliezen als gevolg van ongewenste moleculaire trillingen te minimaliseren en de luminescerende en katalytische eigenschappen te optimaliseren.

Het nadeel van de nieuwe materialen is dat chroom een ​​complexer raamwerk vereist dan edelmetalen – en daarom zal verder onderzoek in de toekomst nodig zijn.

Ingekapseld in zijn rigide organische raamwerk blijkt chroom veel reactiever te zijn dan edelmetalen bij blootstelling aan licht. Dit maakt de weg vrij voor fotochemische reacties die anders moeilijk te initiëren zijn.

Concurrentie met andere alternatieven

De zoektocht naar duurzame en kosteneffectieve materialen zonder edelmetalen concentreerde zich lange tijd vooral op ijzer en koper. Andere onderzoeksgroepen hebben met beide elementen al veelbelovende resultaten geboekt en ook chroom is in het verleden in luminescerende materialen verwerkt. In veel gevallen bleven de luminescerende en katalytische eigenschappen van deze materialen echter ver achter bij die van materialen die zeldzame en dure edelmetalen bevatten, waardoor ze geen echt alternatief vormden.

De nieuwe materialen gemaakt van chroom zijn anders omdat ze een vorm van chroom bevatten die vooral lijkt op edele metalen, waardoor luminescerende en katalytische efficiënties worden bereikt die zeer dicht in de buurt komen van materialen die dergelijke metalen bevatten.