Les processus alimentés par la lumière, de la production d'hydrogène à la purification de l'air, pourraient voir leurs performances augmenter sous la lumière ambiante grâce à un nouveau système de matériaux capable de convertir directement la lumière visible en lumière ultraviolette avec une efficacité qui double les records précédents.

Développé par des chercheurs de l'Université de Kyushu, le système atteint une efficacité de conversion ascendante de la lumière de 20 % à des intensités élevées et maintient des performances relativement élevées même sous une lumière faible, ce qui en fait un outil prometteur pour exploiter la lumière visible déjà autour de nous pour conduire des applications nécessitant une lumière ultraviolette à haute énergie.

Alors que les gens essaient souvent d'éviter les rayons ultraviolets en raison des dommages qu'ils peuvent causer à la peau, Nobuhiro Yanai, professeur agrégé de la Faculté d'ingénierie de l'Université de Kyushu, a cherché des moyens d'augmenter le nombre de ces rayons à haute énergie pour alimenter des photocatalyseurs qui permettent une variété de réactions utiles allant de la production d'hydrogène pour une utilisation dans des véhicules à pile à combustible à la purification des environnements intérieurs.

"Bien que des sources lumineuses dédiées telles que les LED ultraviolettes puissent être utilisées pour conduire ces réactions, ils consomment de l'énergie et augmentent la complexité, " explique Yanai. " Au lieu de cela, une solution beaucoup plus élégante consiste à récolter la lumière du soleil et la lumière ambiante intérieure qui nous entourent déjà."

Cependant, ces sources lumineuses ambiantes ont généralement une grande partie de leur énergie dans le domaine visible de basse énergie et seulement une fraction dans l'ultraviolet, les chercheurs ont donc cherché des moyens de convertir directement la lumière visible avec des longueurs d'onde supérieures à 400 nm en lumière ultraviolette à plus haute énergie.

Pour faire ça, l'équipe de recherche dirigée par Yanai et Nobuo Kimizuka s'est concentrée sur un processus appelé annihilation triplet-triplet. Dans ce processus, des états énergétiques appelés triplets se forment sur les molécules suite à l'absorption de la lumière visible. Ces molécules "donneuses" cèdent ensuite leurs triplets à des molécules "accepteurs" qui peuvent combiner deux triplets pour n'en créer qu'un seul, état d'énergie supérieure qui est libéré sous forme de lumière ultraviolette.

Jusque récemment, l'efficacité maximale signalée de la conversion ascendante conventionnelle de la lumière visible à la lumière ultraviolette utilisant l'annihilation triplet-triplet était d'environ 10 % et ne pouvait être atteinte qu'avec la lumière visible 1, 000 fois plus intense que la lumière du soleil.

Yanai et son groupe rapportent maintenant dans le journal Angewandte Chemie Édition Internationale qu'ils ont battu ce record tout en obtenant des efficacités considérablement améliorées sous une faible lumière visible du soleil et des LED d'intérieur.

« Nous essayons d'améliorer l'efficacité de ce processus depuis plus de cinq ans, mais nous étions bloqués à environ 5%, " dit Yanai. " Nous avons finalement pu faire un grand pas grâce à une nouvelle conception moléculaire, qui nous a donné les bonnes molécules pour d'excellentes performances."

La faible efficacité de l'annihilation triplet-triplet par les molécules acceptrices émettant des ultraviolets et l'extinction de l'émission ultraviolette générée par les molécules donneuses créant des triplets ont été deux problèmes clés limitant les performances.

Pour surmonter ces problèmes, les chercheurs ont développé une nouvelle molécule acceptrice, nommé TIPS-naphtalène, qui a une efficacité d'annihilation triplet-triplet élevée et une énergie de triplet suffisamment faible pour accepter facilement les triplets d'une molécule appelée Ir(C6) 2 (acac), un donneur supérieur qu'ils ont précédemment trouvé qui n'absorbe pas fortement l'émission ultraviolette convertie.

La combinaison de TIPS-naphtalène et d'Ir(C6) 2 (acac) a atteint avec succès l'efficacité de conversion ascendante la plus élevée de 20,5% sous une lumière à haute intensité.

Par ailleurs, le système réussit également à abaisser considérablement l'intensité de la lumière d'excitation requise par rapport aux systèmes conventionnels, obtenir des rendements de conversion ascendante d'environ 10 %, même à des intensités similaires à celles de la lumière solaire.

"Ce système peut convertir efficacement la lumière visible de très faible intensité en lumière ultraviolette. J'ai été très surpris que nous ayons pu obtenir de la lumière ultraviolette même avec les LED que j'utilise habituellement sur mon bureau, " commente Yanaï.

Les chercheurs attribuent cette performance à la liaison rigide des groupes TIPS au centre naphtalène de la molécule acceptrice aidant à supprimer le mouvement moléculaire interne qui entraîne des pertes d'énergie et les groupes TIPS eux-mêmes ajustant finement l'énergie triplet de la molécule tout en maintenant l'émission dans l'ultraviolet.

En plus de trouver des moyens de continuer à améliorer l'efficacité, les chercheurs explorent également comment faire en sorte que le système fonctionne aussi bien hors de la solution pour simplifier davantage son application à une variété de processus pilotés par la lumière.