Ladungstransfers

Ladungstransfer bezeichnet in der Chemie und Physik den Prozess, bei dem elektronische Ladung zwischen zwei Spezies übertragen wird, meist durch Übertragung von Elektronen. Typische Partner sind ein Donor und ein Akzeptor. Ladungstransfer kann an Grenzflächen auftreten, z. B. zwischen Elektroden und Elektrolyten (äußerer Ladungstransfer), oder innerhalb eines Molekülkomplexes (innerer Ladungstransfer). In Natur und Technik spielt dieser Prozess eine zentrale Rolle in Redoxreaktionen, Photosynthese, organischen Halbleitersystemen und elektrochemischer Speicherung.

Die Kinetik des Ladungstransfers wird oft durch die Marcus-Theorie beschrieben. Wichtige Größen sind die Kopplung zwischen Donor und Akzeptor, die freie Energieänderung des Transfers und die Reorganisationsenergie der Umwelt. Der Transfer wird begünstigt, wenn die Kopplung hoch ist und die energetische Gabelung geeignet ist; umgekehrt führt ein großer Reorganisationsaufwand zu verlangsamten Raten. Es gibt innere Ladungstransferprozesse, bei denen der Transfer innerhalb eines Molekülkomplexes stattfindet, und äußere Prozesse, bei denen ein Elektron die Umgebung wechselt.

In der Praxis entstehen durch Ladungstransfer oft kurzlebige Ladungsträger, die getrennt oder rekombinieren können. Im Bereich der Photovoltaik und der Lichtenergieumwandlung ist der photoinduzierte Ladungstransfer zwischen Donoren und Akzeptoren zentral; in der Biologie erfolgt Ladungstransfer in Respirations- und Photosynthese-Ketten. Messmethoden umfassen Spektroskopie, zyklische Voltammetrie, transiente Absorption und potentialsmessungen. Anwendungen reichen von Sensorik und Katalyse bis zu Energiespeicherung und elektronischen Bauelementen. Herausforderungen sind die effiziente Kopplung und die Vermeidung unerwünschter Rekombination.