과학자들은 일반적인 금속에 숨겨진 힘을 발견합니다

요하네스 구텐베르크 마인츠 대학교(JGU)의 연구원들은 이제 널리 이용 가능하고 저렴한 원소인 망간으로 만들어진 새로운 금속 복합체를 만들었습니다. JGU 화학과의 Katja Heinze 교수는 “이 금속 복합체는 광화학 분야의 새로운 표준을 제시합니다. 이는 기록적인 여기 상태 수명과 간단한 합성을 결합한 것입니다.”라고 설명했습니다. “따라서 이는 오랫동안 빛 중심 화학을 지배해 온 귀금속 착물에 대한 강력하고 지속 가능한 대안을 제공합니다.” 이 연구는 최근에 게재되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈.

고성능 망간 복합체를 향한 한 단계 경로

망간은 지구상에서 루테늄보다 100,000배 이상 더 흔하지만 광화학 시스템에서 성공적으로 사용된 경우는 거의 없습니다. 이를 방해하는 두 가지 주요 장애물이 있습니다. 대부분의 망간 착물은 9~10단계를 포함하는 길고 복잡한 합성을 필요로 하며 일반적으로 들뜬 상태 수명이 매우 짧습니다.

초기 합성을 수행한 Heinze 그룹의 전 박사과정 학생인 Nathan East 박사는 “새로 개발된 망간 착물은 두 가지 과제를 모두 극복했습니다. 팀은 단일 합성 단계에서 상업적으로 이용 가능한 성분으로부터 직접 재료를 만들었습니다.

복합체의 거동을 미세 조정하기 위해 연구진은 망간을 전자 특성을 조정하는 리간드와 결합했습니다. 막스플랑크 대학원센터(MPGC) 하인제 그룹의 박사과정 학생 시절 이 복합체를 조사한 산드라 크로넨베르거(Sandra Kronenberger)에 따르면, 무색 망간염과 무색 리간드를 혼합하면 잉크와 비슷한 예상치 못한 강렬한 보라색 용액이 생성됐다. 그녀는 이 눈에 띄는 색상이 복합체가 특이한 방식으로 형성되었음을 나타냄을 지적했습니다.

양자 화학 계산에 기여한 Christoph Förster 박사는 이 복합체가 단순히 이상하게 보이는 것 이상의 역할을 한다고 강조했습니다. 빛을 흡수하는 능력이 매우 강하여 들어오는 빛 입자를 포착할 가능성이 매우 높습니다. 그 결과, 탁월한 효율성으로 빛 에너지를 사용합니다.

흥분 상태 행동 기록 설정

“190나노초라는 복합체의 수명도 놀랍습니다. 이는 철이나 망간과 같은 일반적인 금속을 포함하는 이전에 알려진 복합체보다 두 배 더 긴 것입니다.”라고 발광 분광학을 사용하여 여기 상태가 어떻게 작용하는지 분석한 선임 분광학자인 Robert Naumann 박사는 말했습니다. 광화학에서 빛은 촉매에 에너지를 공급하고 여기된 촉매는 전자를 전달하기 위해 확산을 통해 다른 분자를 만나야 합니다. 이 만남은 몇 나노초가 걸릴 수 있기 때문에 오래 지속되는 여기 상태가 필수적입니다.

연구원들은 또한 이 복합체가 이 핵심 단계를 수행한다는 것을 확인했습니다. Heinze 교수는 “우리는 광반응의 초기 생성물, 즉 발생한 전자 이동을 감지할 수 있었고 이를 통해 복합체가 원하는 대로 반응한다는 것을 증명할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.

확장 가능한 청정 에너지 광화학의 잠재력

이러한 발전은 지속 가능한 광화학 시스템의 가능성을 넓혀줍니다. 간단하고 확장 가능한 합성, 강력한 광 흡수, 안정적인 광물리적 특성 및 수명이 긴 여기 상태를 갖춘 망간 기반 물질은 미래의 대규모 광화학 응용 분야를 지원할 수 있습니다. 이러한 역량은 지속 가능한 수소 생산과 관련된 기술에 특히 유망할 수 있습니다.