A maioria das reações químicas depende do calor, mas a luz surgiu recentemente como uma alternativa importante. O uso da luz para direcionar reações com controle extremamente preciso é um campo conhecido como fotoquímica. Até agora, muitos processos movidos pela luz dependiam de rutênio, ósmio ou irídio – elementos que são caros, escassos e criam problemas ambientais quando extraídos.
Pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg Mainz (JGU) criaram agora um novo complexo metálico feito de manganês, um elemento amplamente disponível e barato. “Este complexo metálico estabelece novos padrões em fotoquímica: combina tempo de vida em estado excitado recorde com síntese simples, “explica a professora Katja Heinze do Departamento de Química da JGU. “Assim, fornece uma alternativa poderosa e sustentável aos complexos de metais nobres que há muito dominam a química impulsionada pela luz.” A pesquisa foi publicada recentemente em comunicações da natureza.
Um passo em direção a compostos de manganês de alto desempenho
O manganês é 100.000 vezes mais abundante na Terra do que o rutênio, mas raramente é usado com sucesso em sistemas fotoquímicos. Dois grandes obstáculos estão no caminho: a maioria dos complexos de manganês requer uma síntese longa e complexa envolvendo nove a dez etapas, e muitas vezes têm tempos de vida no estado excitado muito curtos.
“O complexo de manganês recentemente desenvolvido supera esses dois desafios”, disse o Dr. Nathan East, um ex-aluno de doutorado do grupo de Heinze que realizou a síntese inicial. A equipe criou o material diretamente a partir de ingredientes disponíveis comercialmente em uma única etapa de síntese.
Para ajustar o comportamento do complexo, os pesquisadores combinaram manganês com ligantes que modulam suas propriedades eletrônicas. Sandra Kronenberger, estudante de doutorado do grupo de Heinze no Max Planck Graduate Center (MPGC) que estudou o complexo, disse que a mistura de um sal de manganês incolor com um ligante incolor produziu uma solução roxa inesperadamente intensa que lembrava tinta. A cor marcante sugere o complexo formado de forma incomum, observou ela.
Dr. Christoph Forster, que contribuiu com os cálculos da química quântica, enfatizou que há mais neste complexo do que apenas parece incomum. Sua capacidade de absorver luz é extremamente forte, proporcionando uma chance muito alta de capturar partículas de luz que chegam. Portanto, pode utilizar energia luminosa com eficiência extremamente alta.
Registrar o comportamento do estado de incêndio
“A vida útil do complexo de 190 nanossegundos também é impressionante. Isto é duas ordens de magnitude maior do que qualquer complexo anteriormente conhecido contendo metais comuns, como ferro ou manganês, “disse o espectroscopista principal Dr. Robert Naumann, que usou espectroscopia de luminescência para analisar o comportamento dos estados excitados. Na fotoquímica, a luz fornece energia a um catalisador, e o catalisador excitado deve encontrar outra molécula por difusão para transferir elétrons. Como esse encontro pode levar vários nanossegundos, um estado excitado persistente é crucial.
Os pesquisadores também confirmaram que o complexo executou essa etapa crítica. “Conseguimos detectar o produto inicial da fotorreação – a transferência de elétrons que ocorreu – demonstrando assim que o complexo reagiu conforme esperado”, disse o professor Heinze.
O potencial da fotoquímica escalonável de energia limpa
Este avanço amplia as possibilidades de sistemas fotoquímicos sustentáveis. Este material à base de manganês possui síntese simples e escalonável, forte absorção de luz, propriedades fotofísicas estáveis e estados excitados de longa duração que poderiam suportar futuras aplicações fotoquímicas em grande escala. Esta capacidade poderá ser particularmente promissora para tecnologias relacionadas com a produção sustentável de hidrogénio.
