Molekyler omdanner synligt lys til ultraviolet lys med rekordeffektivitet

Lysdrevne processer fra brintproduktion til luftrensning kunne se et løft i ydeevnen under omgivende lys takket være et nyt materialesystem, der direkte kan konvertere synligt lys til ultraviolet lys med en effektivitet, der fordobler tidligere rekorder.

Udviklet af forskere ved Kyushu University, systemet opnår en lys-opkonverteringseffektivitet på 20 % ved høje intensiteter og bevarer relativt høj ydeevne selv under svagt lys, hvilket gør det lovende at udnytte synligt lys allerede omkring os til at drive applikationer, der kræver højenergi ultraviolet lys.

Mens folk ofte forsøger at undgå ultraviolet lys på grund af den skade, det kan gøre på huden, Nobuhiro Yanai, lektor ved Kyushu Universitets Ingeniørfakultet, har søgt efter måder at øge antallet af disse højenergistråler til at drive fotokatalysatorer, der muliggør en række nyttige reaktioner fra produktion af brint til brug i brændselscellekøretøjer til rensning af indendørs miljøer.

"Selvom dedikerede lyskilder såsom ultraviolette lysdioder kan bruges til at drive disse reaktioner, de forbruger energi og øger kompleksiteten, " forklarer Yanai. "I stedet, en meget mere elegant løsning er at høste det sollys og det indendørs omgivende lys, der allerede er overalt omkring os."

Imidlertid, disse omgivende lyskilder har generelt en stor del af deres energi i det synlige område med lavere energi og kun en brøkdel af det i ultraviolet lys, så forskere har søgt efter måder at direkte konvertere synligt lys med bølgelængder længere end 400 nm til højere energi ultraviolet lys.

At gøre dette, forskerholdet ledet af Yanai og Nobuo Kimizuka har fokuseret på en proces kaldet triplet-triplet annihilation. I denne proces, energiske tilstande kaldet tripletter dannes på molekyler efter absorption af synligt lys. Disse "donor" molekyler giver derefter deres tripletter til "acceptor" molekyler, der kan kombinere to tripletter for at skabe en enkelt, højere energitilstand, der frigives som ultraviolet lys.

Indtil for nylig, den maksimale rapporterede effektivitet af konventionel opkonvertering fra synligt til ultraviolet lys ved anvendelse af triplet-triplet annihilation var omkring 10 % og kunne kun opnås med synligt lys 1, 000 gange mere intens end sollys.

Yanai og hans gruppe rapporterer nu i journalen Angewandte Chemie International Edition at de har slået denne rekord samtidig med, at de har opnået stærkt forbedrede effektiviteter under svagt synligt lys fra solen og indendørs LED'er.

"Vi har forsøgt at forbedre effektiviteten af ​​denne proces i mere end fem år, men vi havde siddet fast på omkring 5 %, " siger Yanai. "Vi var endelig i stand til at tage et stort spring gennem et nyt molekylært design, hvilket gav os de rigtige molekyler til fremragende ydeevne."

Dårlig effektivitet af triplet-triplet annihilation af de ultraviolettemitterende acceptormolekyler og quenching af den genererede ultraviolette emission af de triplet-skabende donormolekyler har været to nøgleproblemer, der begrænser ydeevnen.

For at overvinde disse problemer, forskerne udviklede et nyt acceptormolekyle, kaldet TIPS-naphthalen, der har en høj triplet-triplet-udslettelseseffektivitet og en lav nok tripletenergi til nemt at acceptere tripletter fra et molekyle kaldet Ir(C6) ₂ (acac), en overlegen donor, som de tidligere fandt, som ikke kraftigt absorberer den opkonverterede ultraviolette emission.

Kombinationen af ​​TIPS-naphthalen og Ir(C6) ₂ (acac) opnåede med succes den højeste opkonverteringseffektivitet på 20,5 % under højintensitetslys.

Desuden, systemet lykkes også med at sænke intensiteten af ​​det nødvendige excitationslys betydeligt sammenlignet med konventionelle systemer, opnåelse af opkonverteringseffektiviteter på omkring 10 % selv ved intensiteter svarende til sollys.

"Dette system kan effektivt konvertere meget lav-intensitet synligt lys til ultraviolet lys. Jeg var meget overrasket over, at vi var i stand til at opnå ultraviolet lys selv med de LED'er, som jeg normalt bruger ved mit kontorbord, " kommenterer Yanai.

Forskerne tilskriver denne præstation til stiv binding af TIPS-grupperne til naphthalencentret af acceptormolekylet, der hjælper med at undertrykke intern molekylær bevægelse, der fører til energitab, og TIPS-grupperne finjusterer selv molekylets triplet-energi, mens emissionen holdes i det ultraviolette.

Ud over at finde måder at fortsætte med at forbedre effektiviteten, forskerne undersøger også, hvordan man får systemet til at fungere lige så godt ud af løsningen for yderligere at forenkle dets anvendelse til en række lysdrevne processer.