A maioria das reações químicas depende do calor para avançar, mas a luz se tornou uma alternativa importante recentemente. O uso de luz possibilita guiar reações com um controle extremamente preciso, um campo conhecido como fotochemia. Até agora, muitos desses processos impulsionados por luz dependiam de rutenio, ósmio ou irídio — elementos que são caros, escassos e geram preocupações ambientais quando extraídos.
Pesquisadores da Universidade Johannes Gutenberg de Mainz (JGU) criaram agora um novo complexo metálico feito de manganês, um elemento amplamente disponível e econômico. “Este complexo metálico estabelece um novo padrão em fotochemia: combina uma vida útil em estado excitado recorde com uma síntese simples,” explicou a professora Katja Heinze do Departamento de Química da JGU. “Assim, oferece uma alternativa poderosa e sustentável aos complexes de metais nobres que há muito dominam a química impulsionada pela luz.” O estudo foi publicado recentemente na Nature Communications.
Uma Rota em Uma Etapa para um Complexo de Manganês de Alto Desempenho
O manganês é mais de 100.000 vezes mais comum na Terra do que o rutenio, mas raramente foi usado com sucesso em sistemas fotocatalíticos. Duas grandes barreiras impediram seu uso: a maioria dos complexos de manganês exigia uma síntese longa e complicada envolvendo nove ou dez etapas, e eles geralmente tinham vidas úteis em estado excitado muito curtas.
“O novo complexo de manganês supera ambos os desafios,” disse o Dr. Nathan East, um ex-aluno de doutorado do grupo Heinze que realizou a síntese inicial. A equipe criou o material diretamente a partir de ingredientes disponíveis comercialmente em um único passo de síntese.
Para ajustar o comportamento do complexo, os pesquisadores combinaram manganês com um ligante que modifica suas propriedades eletrônicas. De acordo com Sandra Kronenberger, que investigou o complexo como aluna de doutorado no grupo Heinze no Centro de Graduação Max Planck (MPGC), a mistura de um sal de manganês incolor com um ligante incolor produziu uma solução roxa intensa inesperada, semelhante a tinta. Ela observou que essa cor marcante indicava que o complexo havia se formado de uma maneira incomum.
O Dr. Christoph Förster, que contribuiu com cálculos químicos quânticos, enfatizou que o complexo faz muito mais do que simplesmente parecer incomum. Sua capacidade de absorver luz é extremamente forte, dando-lhe uma chance muito alta de capturar partículas de luz que chegam. Como resultado, ele utiliza a energia da luz com eficiência excepcional.
Comportamento de Estado Excitado Recorde
“A vida útil do complexo de 190 nanosegundos também é notável. Isso é duas ordens de magnitude mais longo do que qualquer complexo conhecido anteriormente que contém metais comuns, como ferro ou manganês,” disse o Dr. Robert Naumann, o espectroscopista principal que analisou como se comporta o estado excitado usando espectroscopia de luminescência. Na fotochemistry, a luz energiza o catalisador, e o catalisador excitado deve encontrar outra molécula por meio da difusão para transferir um elétron. Como esse encontro pode levar vários nanosegundos, um estado excitado de longa duração é essencial.
Os pesquisadores também confirmaram que o complexo realiza essa etapa chave. “Conseguimos detectar o produto inicial da fotoreação — a transferência de elétrons que ocorreu — e assim provar que o complexo reage como desejado,” disse a professora Heinze.
Potencial para Fotochemia de Energia Limpa em Escala
Esse avanço amplia as possibilidades para sistemas fotocatalíticos sustentáveis. Com sua síntese simples e escalável, forte absorção de luz, características fotofísicas estáveis e estado excitado de longa duração, o material à base de manganês poderia apoiar futuras aplicações fotocatalíticas em larga escala. Tal capacidade pode ser especialmente promissora para tecnologias relacionadas à produção sustentável de hidrogênio.