Os processos movidos a luz, desde a produção de hidrogênio até a purificação do ar, podem ter um aumento no desempenho sob a luz ambiente, graças a um novo sistema de material que pode converter diretamente a luz visível em ultravioleta com uma eficiência que dobra os recordes anteriores.

Desenvolvido por pesquisadores da Kyushu University, o sistema atinge uma eficiência de conversão ascendente de luz de 20% em altas intensidades e mantém um desempenho relativamente alto, mesmo sob luz fraca, tornando-se promissor para aproveitar a luz visível que já está ao nosso redor para conduzir aplicações que requerem luz ultravioleta de alta energia.

Embora as pessoas frequentemente tentem evitar a luz ultravioleta por causa dos danos que ela pode causar à pele, Nobuhiro Yanai, professor associado da Faculdade de Engenharia da Universidade de Kyushu, tem procurado maneiras de aumentar o número desses raios de alta energia para alimentar fotocatalisadores que permitem uma variedade de reações úteis, desde a produção de hidrogênio para uso em veículos com células de combustível até a purificação de ambientes internos.

"Embora fontes de luz dedicadas, como LEDs ultravioleta, possam ser usadas para conduzir essas reações, eles consomem energia e aumentam a complexidade, "explica Yanai." Em vez disso, uma solução muito mais elegante é colher a luz do sol e do ambiente interno que já está ao nosso redor. "

Contudo, essas fontes de luz ambiente geralmente têm uma grande parte de sua energia na região visível de baixa energia e apenas uma fração dela no ultravioleta, por isso, os pesquisadores têm procurado maneiras de converter diretamente a luz visível com comprimentos de onda superiores a 400 nm em luz ultravioleta de alta energia.

Para fazer isso, a equipe de pesquisa liderada por Yanai e Nobuo Kimizuka tem se concentrado em um processo chamado aniquilação de trigêmeos. Nesse processo, estados energéticos chamados trigêmeos são formados nas moléculas após a absorção da luz visível. Essas moléculas "doadoras", então, dão seus trigêmeos a moléculas "aceitadoras" que podem combinar dois tripletos para criar um único, estado de alta energia que é liberado como luz ultravioleta.

Até recentemente, a eficiência máxima relatada de upconversion convencional de luz visível para ultravioleta usando aniquilação tripleto-tripleto foi de cerca de 10% e só pode ser alcançada com luz visível 1, 000 vezes mais intenso que a luz solar.

Yanai e seu grupo agora relatam no jornal Angewandte Chemie International Edition que quebraram esse recorde ao mesmo tempo em que alcançaram eficiências muito melhoradas sob a fraca luz visível do sol e LEDs internos.

“Há mais de cinco anos temos tentado melhorar a eficiência desse processo, mas estávamos parados em cerca de 5%, "diz Yanai." Finalmente fomos capazes de dar um grande salto através de um novo design molecular, o que nos deu as moléculas certas para um desempenho excelente. "

A baixa eficiência da aniquilação de tripleto-tripleto pelas moléculas aceitadoras que emitem ultravioleta e a extinção da emissão ultravioleta gerada pelas moléculas doadoras criadoras de trigêmeos têm sido duas questões-chave que limitam o desempenho.

Para superar esses problemas, os pesquisadores desenvolveram uma nova molécula aceptora, denominado TIPS-naftaleno, que tem uma alta eficiência de aniquilação tripleto-tripleto e uma energia tripla baixa o suficiente para aceitar facilmente tripletos de uma molécula chamada Ir (C6) ₂ (acac), um doador superior que eles descobriram anteriormente que não absorve fortemente a emissão ultravioleta convertida.

A combinação de TIPS-naftaleno e Ir (C6) ₂ (acac) alcançou com sucesso a maior eficiência de upconversion de 20,5% sob luz de alta intensidade.

Além disso, o sistema também consegue reduzir significativamente a intensidade da luz de excitação necessária em comparação com os sistemas convencionais, alcançando eficiências de upconversion de cerca de 10%, mesmo em intensidades semelhantes às da luz solar.

"Este sistema pode converter de forma eficiente a luz visível de intensidade muito baixa em luz ultravioleta. Fiquei muito surpreso ao ver que conseguimos obter luz ultravioleta mesmo com os LEDs que costumo usar na minha mesa de escritório, "comenta Yanai.

Os pesquisadores atribuem esse desempenho à ligação rígida dos grupos TIPS ao centro de naftaleno da molécula aceptora ajudando a suprimir o movimento molecular interno que leva a perdas de energia e os próprios grupos TIPS ajustam finamente a energia tripla da molécula, mantendo a emissão no ultravioleta.

Além de encontrar maneiras de continuar a melhorar a eficiência, os pesquisadores também estão explorando como fazer com que o sistema funcione tão bem fora da solução para simplificar ainda mais sua aplicação a uma variedade de processos movidos a luz.