Los procesos impulsados ​​por luz, desde la producción de hidrógeno hasta la purificación del aire, podrían ver un aumento en el rendimiento bajo luz ambiental gracias a un nuevo sistema de materiales que puede convertir directamente la luz visible en luz ultravioleta con una eficiencia que duplica los registros anteriores.

Desarrollado por investigadores de la Universidad de Kyushu, el sistema alcanza una eficiencia de conversión de luz del 20% a altas intensidades y mantiene un rendimiento relativamente alto incluso con poca luz, lo que lo hace prometedor para aprovechar la luz visible que ya nos rodea para impulsar aplicaciones que requieren luz ultravioleta de alta energía.

Si bien las personas a menudo intentan evitar la luz ultravioleta debido al daño que puede causar en la piel, Nobuhiro Yanai, profesor asociado de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Kyushu, ha estado buscando formas de aumentar la cantidad de estos rayos de alta energía para alimentar fotocatalizadores que permitan una variedad de reacciones útiles, desde la producción de hidrógeno para su uso en vehículos con pilas de combustible hasta la purificación de ambientes interiores.

"Aunque se pueden utilizar fuentes de luz dedicadas, como los LED ultravioleta, para impulsar estas reacciones, consumen energía y aumentan la complejidad, "explica Yanai". En cambio, una solución mucho más elegante es aprovechar la luz solar y la luz ambiental interior que ya nos rodea ".

Sin embargo, estas fuentes de luz ambiental generalmente tienen una gran parte de su energía en la región visible de menor energía y solo una fracción en la ultravioleta, por lo que los investigadores han estado buscando formas de convertir directamente la luz visible con longitudes de onda superiores a 400 nm en luz ultravioleta de mayor energía.

Para hacer esto, el equipo de investigación dirigido por Yanai y Nobuo Kimizuka se ha centrado en un proceso llamado aniquilación triplete-triplete. En este proceso, Los estados energéticos llamados tripletes se forman en las moléculas después de la absorción de la luz visible. Estas moléculas "donantes" luego dan sus tripletes a moléculas "aceptoras" que pueden combinar dos tripletes para crear una sola, Estado de mayor energía que se libera como luz ultravioleta.

Hasta hace poco, la eficiencia máxima informada de la conversión ascendente convencional de luz visible a ultravioleta mediante la aniquilación de triplete-triplete fue de aproximadamente el 10% y solo se pudo lograr con luz visible 1, 000 veces más intensa que la luz del sol.

Yanai y su grupo ahora informan en el diario. Edición internacional Angewandte Chemie que han batido este récord al mismo tiempo que lograron eficiencias enormemente mejoradas bajo la débil luz visible del sol y los LED de interior.

"Hemos estado tratando de mejorar la eficiencia de este proceso durante más de cinco años, pero nos quedamos estancados en alrededor del 5%, ", dice Yanai." Finalmente pudimos dar un gran salto a través de un nuevo diseño molecular, lo que nos dio las moléculas adecuadas para un rendimiento excelente ".

La baja eficiencia de la aniquilación de triplete-triplete por las moléculas aceptoras emisoras de ultravioleta y la extinción de la emisión ultravioleta generada por las moléculas donantes creadoras de triplete han sido dos cuestiones clave que limitan el rendimiento.

Para superar estos problemas, los investigadores desarrollaron una nueva molécula aceptora, llamado TIPS-naftaleno, que tiene una alta eficiencia de aniquilación de triplete-triplete y una energía de triplete lo suficientemente baja como para aceptar fácilmente tripletes de una molécula llamada Ir (C6) ₂ (acac), un donante superior que encontraron anteriormente que no absorbe fuertemente la emisión ultravioleta convertida hacia arriba.

La combinación de TIPS-naftaleno e Ir (C6) ₂ (acac) logró con éxito la mayor eficiencia de conversión ascendente del 20,5% bajo luz de alta intensidad.

Es más, el sistema también logra reducir significativamente la intensidad de la luz de excitación requerida en comparación con los sistemas convencionales, logrando eficiencias de conversión ascendente de aproximadamente el 10% incluso a intensidades similares a las de la luz solar.

"Este sistema puede convertir de manera eficiente la luz visible de muy baja intensidad en luz ultravioleta. Me sorprendió mucho que pudiéramos obtener luz ultravioleta incluso con los LED que suelo usar en mi escritorio de oficina. "comenta Yanai.

Los investigadores atribuyen este rendimiento a la unión rígida de los grupos TIPS al centro de naftaleno de la molécula aceptora que ayuda a suprimir el movimiento molecular interno que conduce a pérdidas de energía y los propios grupos TIPS ajustan finamente la energía del triplete de la molécula mientras mantienen la emisión en el ultravioleta.

Además de encontrar formas de seguir mejorando la eficiencia, Los investigadores también están explorando cómo hacer que el sistema funcione igual de bien fuera de la solución para simplificar aún más su aplicación a una variedad de procesos impulsados ​​por la luz.