Ljusdrivna processer från väteproduktion till luftrening kan öka prestandan under omgivande ljus tack vare ett nytt materialsystem som direkt kan omvandla synligt ljus till ultraviolett ljus med en effektivitet som fördubblar tidigare rekord.

Utvecklad av forskare vid Kyushu University, systemet uppnår en ljus uppkonverteringseffektivitet på 20% vid höga intensiteter och håller relativt hög prestanda även under svagt ljus, vilket gör det lovande att utnyttja synligt ljus redan runt omkring oss för att driva applikationer som kräver högenergi ultraviolett ljus.

Medan människor ofta försöker undvika ultraviolett ljus på grund av den skada det kan göra på huden, Nobuhiro Yanai, docent vid Kyushu universitetets tekniska fakultet, har sökt efter sätt att öka antalet av dessa högenergistrålar för att driva fotokatalysatorer som möjliggör en mängd användbara reaktioner från att producera väte för användning i bränslecellsfordon till renande inomhusmiljöer.

"Även om dedikerade ljuskällor som ultravioletta lysdioder kan användas för att driva dessa reaktioner, de förbrukar energi och ökar komplexiteten, "förklarar Yanai." Istället en mycket mer elegant lösning är att skörda solljus och inomhus omgivande ljus som redan finns runt omkring oss. "

Dock, dessa omgivande ljuskällor har i allmänhet en stor del av sin energi i det synliga området med lägre energi och endast en bråkdel av den i ultraviolett, så forskare har sökt efter sätt att direkt konvertera synligt ljus med våglängder längre än 400 nm till högre energi ultraviolett ljus.

Att göra detta, forskargruppen som leds av Yanai och Nobuo Kimizuka har fokuserat på en process som kallas triplet-triplet annihilation. I denna process, energiska tillstånd som kallas trillingar bildas på molekyler efter absorption av synligt ljus. Dessa "donator" -molekyler ger sedan sina trillingar till "acceptor" -molekyler som kan kombinera två trillingar för att skapa en enda, högre energi tillstånd som släpps ut som ultraviolett ljus.

Tills nyligen, den maximala rapporterade effektiviteten för konventionell uppkonvertering från synligt till ultraviolett ljus med triplet-triplet-förintelse var cirka 10% och kunde endast uppnås med synligt ljus 1, 000 gånger starkare än solljus.

Yanai och hans grupp rapporterar nu i tidningen Angewandte Chemie International Edition att de har krossat det här rekordet samtidigt som de har uppnått mycket förbättrad effektivitet under svagt synligt ljus från solen och inomhus -lysdioder.

"Vi har försökt förbättra effektiviteten i denna process i mer än fem år, men vi hade fastnat på cirka 5%, "säger Yanai." Vi kunde äntligen göra ett stort steg genom en ny molekylär design, vilket gav oss rätt molekyler för utmärkt prestanda. "

Dålig effektivitet av triplet-triplet-förintelse genom de ultraviolettemitterande acceptormolekylerna och släckning av den genererade ultravioletta emissionen av de triplettskapande givarmolekylerna har varit två nyckelfrågor som begränsar prestandan.

För att övervinna dessa problem, forskarna utvecklade en ny acceptormolekyl, heter TIPS-naftalen, som har en hög triplett-triplet-förintelseeffektivitet och tillräckligt låg tripletenergi för att enkelt ta emot trillingar från en molekyl som heter Ir (C6) ₂ (acac), en överlägsen givare som de hittat tidigare som inte starkt absorberar det uppkonverterade ultravioletta utsläppet.

Kombinationen av TIPS-naftalen och Ir (C6) ₂ (acac) uppnådde framgångsrikt den högsta uppkonverteringseffektiviteten på 20,5% under högintensivt ljus.

Vidare, systemet lyckas också avsevärt sänka intensiteten hos det excitationsljus som krävs jämfört med konventionella system, uppnå omvandlingseffektivitet på cirka 10% även vid intensiteter som liknar solljusets.

"Det här systemet kan effektivt omvandla mycket lågintensivt synligt ljus till ultraviolett ljus. Jag var mycket förvånad över att vi kunde få ultraviolett ljus även med de lysdioder som jag brukar använda vid mitt skrivbord, "kommenterar Yanai.

Forskarna tillskriver denna prestation till rigid bindning av TIPS -grupperna till naftalens centrum i acceptormolekylen som hjälper till att undertrycka inre molekylrörelser som leder till energiförluster och TIPS -grupperna själva finjusterar molekylens tripletenergi samtidigt som emissionen hålls i ultraviolett.

Förutom att hitta sätt att fortsätta förbättra effektiviteten, forskarna undersöker också hur man får systemet att fungera lika bra ur lösningen för att ytterligare förenkla dess tillämpning på en mängd olika ljusdrivna processer.