Ladungstransfer

Ladungstransfer bezeichnet den Prozess der Übertragung von Ladungsträgern, typischerweise Elektronen, zwischen zwei Partnern. In der Chemie, Elektrochemie, Biologie und Materialwissenschaft beschreibt er Redoxreaktionen, bei denen Elektronen von einem Donor zu einem Akzeptor wandern. Grundsätzlich unterscheidet man inner-sphere Ladungstransfer, bei dem eine Brückenligand eine Übergangsverbindung herstellt, und outer-sphere Ladungstransfer, bei dem die Elektronenübertragung durch räumliche Kopplung ohne direkte Bindung erfolgt.

In der Theorie spielt die Marcus-Theorie eine zentrale Rolle. Sie erklärt, wie die Reaktionsrate von der freien Energieänderung ΔG°, der Reorganisationsenergie λ und der elektronischen Kopplung abhängt. Je nach Stärke der Kopplung kann der Transfer in verschiedenen Regimes auftreten, z. B. adiabatisch oder nichtadiabatisch. Proton-Coupled Electron Transfer (PCET) erweitert das Konzept, da Protonen gleichzeitig übertragen werden können.

Ladungstransfer tritt in vielen Bereichen auf: in der Elektrochemie bei Redoxreaktionen an Oberflächen, in der Biologie in der Atmungs- und Photosynthese-Kette, und in der Materialwissenschaft bei Typ-II-Heterojunctionen, organischen Solarzellen und OLEDs. Er wird mit Methoden wie Spektroskopie (z. B. transienten Absorptionssignalen), Elektrochemie und Zeitauflösungsmesstechnik untersucht.

Ladungstransfer ist zentral für Energieumwandlung, Katalyse und Sensorik. Das Verständnis der Mechanismen ermöglicht eine gezielte Kontrolle von Reaktionspfaden und der Effizienz in Geräten und Prozessen.