Geïnspireerd door fotosynthese, KAUST-onderzoekers hebben een nieuwe draai aan metalen organische raamwerken (MOF's) ontwikkeld die zonnecellen kunnen helpen meer energie van de zon te verzamelen.

Een MOF is een soort poreus kristal gemaakt van een rooster van op metaal gebaseerde knooppunten verbonden door op koolstof gebaseerde linkermoleculen. MOF's zijn bijzonder veelzijdige materialen omdat onderzoekers hun eigenschappen gemakkelijk kunnen ontwerpen en verfijnen door de linkers of knooppunten te veranderen. MOF's worden al onderzocht als katalysatoren en voor gebruik in toepassingen, zoals gasscheiding, voelen en opslaan.

Een nieuwe MOF ontwikkeld bij KAUST bootst een cruciale stap van energieoverdracht in fotosynthese na, het natuurlijke proces dat planten gebruiken om licht op te vangen en om te zetten in chemische energie.

De lichtgele MOF-kristallen bevatten 12 gecoördineerde op zirkonium gebaseerde clusters en twee verschillende organische linkers:een benzimidazoolmolecuul bekend als BI, en een thiadiazool genaamd TD. De twee linkers zijn niet alleen ontworpen om dezelfde grootte en vorm te hebben, maar vooral om een ​​zeer sterke spectrale overlap te bezitten, een belangrijk kenmerk voor efficiënte energieoverdrachtsprocessen.

De onderzoekers schenen ultraviolet licht met een golflengte van 315 nanometer op het MOF. Ze ontdekten dat zijn BI-linker het licht absorbeerde en vervolgens snel de energie uitzond op een langere golflengte van 430 nanometer, overeenkomend met blauw licht. De TD-linker absorbeerde dit blauwe licht efficiënt, en straalde de energie opnieuw uit als groen licht met een golflengte van 530 nanometer.

De onderzoekers volgden het energieoverdrachtsproces met behulp van een techniek die tijdgecorreleerde single-photon counting wordt genoemd, die de emissie van licht over ongelooflijk korte tijdschalen kan volgen. Hieruit bleek dat het proces van energieoverdracht tussen de twee linkers ongeveer 100 picoseconden duurde, of honderd biljoenste van een seconde. "Het is een uitdaging om zo'n lichtoogstsysteem te ontwerpen en te synthetiseren en om dit fenomeen van snelle energieoverdracht te observeren, ", zegt teamlid Jiangtao Jia van KAUST's Advanced Membranes and Porous Materials Center.

"Maar dankzij de sterke onderzoeksinfrastructuur van KAUST, we hebben een van de beste faciliteiten ter wereld om de levensduur van de fotoluminescentie tot op de picoseconde tijdschaal te bepalen, ", voegt teamlid Luis Gutieŕrez-Arzaluz toe.

Hierdoor kon het team vaststellen dat het energieoverdrachtsproces een efficiëntie van meer dan 90 procent had, waardoor het een van de meest efficiënte MOF's voor energieoverdracht tot nu toe is. "In de toekomst, deze opzettelijke controle op moleculair niveau zou de weg kunnen effenen voor het ontwerp van zeer efficiënte kunstmatige fotosynthesesystemen op basis van MOF-materialen, "zegt Jia.