Les applications chimiques durables doivent pouvoir utiliser des sources d'énergie renouvelables, des matières premières renouvelables et des éléments terrestres abondants. Cependant, à ce jour, de nombreuses techniques n'ont été possibles qu'avec l'utilisation de métaux précieux ou de terres rares coûteux, dont l'extraction peut avoir de graves impacts environnementaux. Une équipe de chercheurs comprenant le professeur Katja Heinze et le professeur Christoph Kerzig de l'Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ainsi que le Dr Ute Resch-Genger du Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) allemand a maintenant réalisé une percée dans l'utilisation de le chrome, un métal de base abondant sur lequel le groupe de Heinze étudie depuis un certain temps.

Les nouvelles découvertes montrent que les composés de chrome, également appelés rubis moléculaires, peuvent remplacer les métaux précieux coûteux dans la conversion ascendante des photons. La conversion ascendante de photons (UC) est un processus dans lequel l'absorption séquentielle de deux photons d'énergie inférieure conduit à l'émission d'un photon d'énergie supérieure. Ce photon d'énergie plus élevée peut en principe être utilisé pour étendre l'utilisation de la lumière solaire à faible énergie dans les cellules solaires ou les réactions photochimiques qui nécessitent autrement la lumière UV pour l'activation. L'utilisation de rubis moléculaires peut ainsi contribuer à réduire l'impact de processus dommageables pour l'environnement tels que l'extraction de métaux précieux ou de terres rares et à étendre la photochimie à des processus plus durables.

Les composés de chrome comme alternative prometteuse

La plupart des applications photochimiques et photophysiques telles que les diodes électroluminescentes organiques phosphorescentes, les cellules solaires à colorant ou les réactions chimiques axées sur la lumière utilisent des métaux précieux tels que l'or, le platine, le ruthénium, l'iridium ou les métaux des terres rares. Or, les métaux précieux sont chers car rares alors que les terres rares ne sont extraites que dans quelques pays, notamment en Chine. De plus, leur extraction implique souvent une consommation considérable d'eau, d'énergie et de produits chimiques. Dans certains cas, comme l'extraction de l'or, des substances hautement toxiques telles que le cyanure ou le mercure sont utilisées.

D'autre part, les ressources du métal chrome, qui tire son nom du mot grec ancien signifiant couleur, sont 10 000 fois plus abondantes dans la croûte terrestre que celles du platine et 100 000 fois supérieures à celles de l'iridium, ce qui signifie qu'il est disponible en quantités suffisantes. "Malheureusement, les propriétés photophysiques de métaux abondants comme le chrome ou le fer ne sont tout simplement pas assez bonnes pour être utiles dans des applications technologiques, en particulier en ce qui concerne les durées de vie et les énergies de leurs états excités électroniquement", a expliqué le professeur Katja Heinze du département de chimie de JGU. . Des progrès significatifs à cet égard n'ont été réalisés qu'au cours des dernières années, l'équipe de Heinze étant l'un des principaux contributeurs. Ils ont également participé au développement de rubis dits moléculaires. Ce sont des composés moléculaires solubles qui possèdent des caractéristiques d'état excité exceptionnellement bonnes. Les rubis moléculaires ont déjà été utilisés comme thermomètres optiques moléculaires et capteurs de pression.

Observation directe des processus de transfert d'énergie grâce à un nouveau dispositif laser à grande échelle

L'équipe de scientifiques de Mayence et de Berlin vient de réaliser une nouvelle percée. « Au cours du processus, nous avons observé un nouveau mécanisme et compris en détail la haute efficacité des nouveaux composés de chrome », a déclaré le professeur Christoph Kerzig. Les scientifiques ont réussi à observer directement la voie de transfert d'énergie inhabituelle à l'aide d'une configuration laser récemment installée dans le groupe Kerzig. Cette technique dite de photolyse flash laser leur a permis de détecter tous les intermédiaires importants pour les mécanismes d'upconversion. De plus, des expériences laser quantitatives ont établi l'absence de canaux de perte d'énergie inhérents et de réactions secondaires, ce qui jette les bases d'applications efficaces de cette manière sous-explorée de transférer et de convertir l'énergie solaire avec des composés de chrome.

Par conséquent, les scientifiques pourraient être en mesure de développer à l'avenir de nouvelles réactions guidées par la lumière en utilisant le chrome, un métal commun, au lieu d'utiliser les composés rares et plus coûteux du ruthénium et de l'iridium, qui sont encore aujourd'hui les plus fréquemment utilisés. "Avec nos partenaires du BAM à Berlin et d'autres universités, nous continuerons à poursuivre nos efforts pour développer une photochimie plus durable", a déclaré le professeur Katja Heinze.

Les résultats du groupe ont été publiés dans Angewandte Chemie . + Explorer plus loin

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