科学家发现一种常见金属的隐藏能力

美因茨大学约翰内斯·古腾堡大学的研究人员近日研发出一种新型金属配合物，其由锰构成——一种储量丰富且价格低廉的元素。该校化学系的卡佳·海因茨教授解释道：“这种金属配合物为光化学树立了新标准：它将破纪录的激发态寿命与简单的合成方法相结合，因此为长期主导光驱动化学的贵金属配合物提供了一种强大且可持续的替代方案。”该研究近期发表于《自然·通讯》。

一步合成高性能锰配合物

锰在地球上的储量是钌的10万倍以上，但在光化学系统中却很少被成功应用。阻碍其应用的主要有两大难题：大多数锰配合物需要经过九到十个步骤的漫长、复杂合成，且它们的激发态寿命通常很短。

“新研发的锰配合物克服了这两个挑战，”海因茨团队的前博士生内森·伊斯特博士表示，他负责了最初的合成工作。该团队直接利用市售原料，通过单一合成步骤就制备出了这种材料。

为了微调配合物的性能，研究人员将锰与一种能调节其电子特性的配体相结合。在马克斯·普朗克研究生中心（MPGC）海因茨团队攻读博士学位的桑德拉·克罗嫩贝格研究了这种配合物，她指出，将无色的锰盐与无色配体混合后，得到了一种出乎意料的深紫色溶液，类似墨水。她提到，这种鲜明的颜色表明配合物以一种不寻常的方式形成。

参与量子化学计算的克里斯托夫·福斯特博士强调，这种配合物的作用远不止看起来特别。它的光吸收能力极强，因此捕获入射光粒子的概率非常高，从而能以极高的效率利用光能。

创纪录的激发态行为

“该配合物190纳秒的寿命也十分显著。这比以往任何已知的含铁或锰等常见金属的配合物都要长两个数量级，”主导光谱研究的罗伯特·瑙曼博士说道，他通过发光光谱法分析了激发态的行为。在光化学中，光为催化剂供能，激发态的催化剂必须通过扩散与另一个分子相遇才能传递电子。由于这种相遇可能需要几纳秒的时间，因此长寿命的激发态至关重要。

研究人员还证实了该配合物能完成这一关键步骤。“我们能够检测到光反应的初始产物——发生的电子转移，从而证明配合物按预期发生了反应，”海因茨教授说。

可扩展清洁能源光化学的潜力

这一进展拓宽了可持续光化学系统的可能性。凭借其简单、可扩展的合成方法、强吸光性、稳定的光物理特性以及长寿命的激发态，这种锰基材料有望支持未来的大规模光化学应用。这种能力在与可持续制氢相关的技术中可能尤为前景广阔。