Door licht aangedreven processen, van waterstofproductie tot luchtzuivering, zouden de prestaties onder omgevingslicht kunnen verbeteren dankzij een nieuw materiaalsysteem dat zichtbaar licht direct kan omzetten in ultraviolet licht met een efficiëntie die eerdere records verdubbelt.

Ontwikkeld door onderzoekers van Kyushu University, het systeem behaalt een licht-upconversie-efficiëntie van 20% bij hoge intensiteiten en handhaaft relatief hoge prestaties, zelfs bij zwak licht, waardoor het veelbelovend is voor het benutten van zichtbaar licht dat al om ons heen is om toepassingen aan te sturen die hoogenergetisch ultraviolet licht vereisen.

Hoewel mensen vaak ultraviolet licht proberen te vermijden vanwege de schade die het aan de huid kan toebrengen, Nobuhiro Yanai, universitair hoofddocent van de faculteit Ingenieurswetenschappen van Kyushu University, heeft gezocht naar manieren om het aantal van deze energierijke stralen te vergroten om fotokatalysatoren aan te drijven die een verscheidenheid aan nuttige reacties mogelijk maken, van het produceren van waterstof voor gebruik in brandstofcelvoertuigen tot het zuiveren van binnenomgevingen.

"Hoewel speciale lichtbronnen zoals ultraviolette LED's kunnen worden gebruikt om deze reacties aan te sturen, ze verbruiken energie en verhogen de complexiteit, " legt Yanai uit. "In plaats daarvan, een veel elegantere oplossing is om het zonlicht en het omgevingslicht binnenshuis te oogsten dat al overal om ons heen is."

Echter, deze omgevingslichtbronnen hebben over het algemeen een groot deel van hun energie in het zichtbare gebied met lagere energie en slechts een fractie ervan in het ultraviolet, dus hebben onderzoekers gezocht naar manieren om zichtbaar licht met golflengten langer dan 400 nm direct om te zetten in ultraviolet licht met een hogere energie.

Om dit te doen, het onderzoeksteam onder leiding van Yanai en Nobuo Kimizuka heeft zich gericht op een proces dat triplet-triplet-annihilatie wordt genoemd. In dit proces, energetische toestanden die tripletten worden genoemd, worden gevormd op moleculen na absorptie van zichtbaar licht. Deze 'donor'-moleculen geven vervolgens hun tripletten aan 'acceptor'-moleculen die twee tripletten kunnen combineren om een ​​enkele, hogere energietoestand die wordt vrijgegeven als ultraviolet licht.

Tot voor kort, de maximale gerapporteerde efficiëntie van conventionele opconversie van zichtbaar naar ultraviolet licht met behulp van triplet-triplet vernietiging was ongeveer 10% en kon alleen worden bereikt met zichtbaar licht 1, 000 keer intenser dan zonlicht.

Yanai en zijn groep rapporteren nu in het journaal Internationale editie van Angewandte Chemie dat ze dit record hebben gebroken en tegelijkertijd een sterk verbeterde efficiëntie hebben bereikt onder zwak zichtbaar licht van de zon en binnen-LED's.

"We proberen al meer dan vijf jaar de efficiëntie van dit proces te verbeteren, maar we zaten vast op ongeveer 5%, ", zegt Yanai. "We hebben eindelijk een grote sprong kunnen maken door een nieuw moleculair ontwerp, die ons de juiste moleculen gaf voor uitstekende prestaties."

Slechte efficiëntie van triplet-triplet-annihilatie door de ultraviolet-emitterende acceptormoleculen en uitdoving van de gegenereerde ultraviolette emissie door de triplet-creërende donormoleculen zijn twee belangrijke problemen die de prestaties beperken.

Om deze problemen op te lossen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw acceptormolecuul, genaamd TIPS-naftaleen, dat een hoge triplet-triplet-annihilatie-efficiëntie heeft en een voldoende lage triplet-energie om gemakkelijk tripletten te accepteren van een molecuul genaamd Ir(C6) ₂ (aak), een superieure donor die ze eerder hebben gevonden en die de omhooggeconverteerde ultraviolette emissie niet sterk absorbeert.

De combinatie van TIPS-naftaleen en Ir(C6) ₂ (acac) behaalde met succes de hoogste opconversie-efficiëntie van 20,5% onder licht met hoge intensiteit.

Verder, het systeem slaagt er ook in om de intensiteit van het benodigde excitatielicht aanzienlijk te verlagen in vergelijking met conventionele systemen, het bereiken van opconversie-efficiënties van ongeveer 10%, zelfs bij intensiteiten die vergelijkbaar zijn met die van zonlicht.

"Dit systeem kan zichtbaar licht met een zeer lage intensiteit efficiënt omzetten in ultraviolet licht. Ik was zeer verrast dat we ultraviolet licht konden verkrijgen, zelfs met de LED's die ik gewoonlijk op mijn bureau gebruik, ", zegt Yanai.

De onderzoekers schrijven deze prestatie toe aan de starre binding van de TIPS-groepen aan het naftaleencentrum van het acceptormolecuul, wat helpt bij het onderdrukken van interne moleculaire beweging die leidt tot energieverliezen en de TIPS-groepen stemmen zelf de triplet-energie van het molecuul fijn af terwijl de emissie in het ultraviolet wordt gehouden.

Naast het vinden van manieren om de efficiëntie te blijven verbeteren, de onderzoekers onderzoeken ook hoe het systeem uit de oplossing net zo goed kan presteren om de toepassing ervan op een verscheidenheid aan lichtgestuurde processen verder te vereenvoudigen.