Die Bedeutung der Solarenergie als erneuerbare Energiequelle nimmt zu. Sonnenlicht enthält energiereiches UV-Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 400 nm, das beispielsweise für die Photopolymerisation zur Bildung eines Harzes und die Aktivierung von Photokatalysatoren zum Antreiben von Reaktionen verwendet werden kann, die grünen Wasserstoff oder nützliche Kohlenwasserstoffe (Kraftstoffe, Zucker, Olefine) erzeugen , etc.). Letzteres wird oft als „künstliche Photosynthese“ bezeichnet. Eine weitere wichtige Anwendung ist die photokatalytische Reaktion durch UV-Licht zur effizienten Abtötung von Viren und Bakterien. Leider fallen nur etwa 4 % des irdischen Sonnenlichts in den UV-Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Dadurch bleibt ein großer Teil des Sonnenlichtspektrums für diese Zwecke ungenutzt.
Photon Upconversion (UC) könnte der Schlüssel zur Lösung dieses Problems sein. Es ist der Prozess der Umwandlung langwelliger, niederenergetischer Photonen (wie sie in sichtbarem Licht vorhanden sind) in kurzwellige, hochenergetische Photonen (wie sie in UV-Licht vorhanden sind) durch einen Prozess namens „Triplett-Triplett-Vernichtung“. “ (TTA). Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben über sichtbares bis UV-UC unter Verwendung organischer Lösungsmittellösungen berichtet, bei denen die Lösung zuerst desoxidiert und dann in einem luftdichten Behälter versiegelt werden musste, um zu verhindern, dass Sauerstoff ausgesetzt wird, der TTA-basierte Photon-UC-Proben deaktiviert und degradiert. Diesen Materialien mangelte es nicht nur an Photostabilität in Gegenwart von Sauerstoff, sondern sie zeigten auch keine effektive Leistung bei einfallendem Licht mit Sonnenlichtintensität. Diese Probleme stellten Hindernisse für die praktischen Anwendungen von Photon UC dar.
Jetzt haben zwei Wissenschaftler der Tokyo Tech – Prof. Yoichi Murakami und sein Doktorand Riku Enomoto haben eine Lösung für diese Probleme gefunden – einen revolutionären festen Film, der Photonen-UC von sichtbarem bis zu UV-Licht bei schwachem einfallendem Licht durchführen kann, während er für eine beispiellose Zeit in Luft photostabil bleibt. Sie beschreiben diese bahnbrechende Erfindung in ihrem Artikel, der im veröffentlicht wurde Zeitschrift für Materialchemie C.
Prof. Murakami erklärt die Neuheit ihrer Forschung: „Unsere Erfindung wird die praktische Nutzung des sichtbaren Teils von Licht geringer Intensität, wie Sonnenlicht und LED-Raumlicht, für Anwendungen ermöglichen, die effektiv mit UV-Licht durchgeführt werden. Und seine Photostabilität— nachweislich mindestens über 100 Stunden, selbst in Gegenwart von Luft – ist die höchste, die jemals für ein TTA-basiertes Photon-UC-Material gemeldet wurde, unabhängig von der Materialform, solange wir dies überblicken konnten.
Zusätzlich zu dieser Rekord-Photostabilität hatten diese Filme eine ultraniedrige Anregungsschwelle (nur 0,3-fache Sonnenintensität) und eine hohe UC-Quantenausbeute von 4,3 % (normalisierte UC-Emissionseffizienz von 8,6 %) – beides in Gegenwart von Luft – was dies ermöglicht Material einzigartig, da die meisten Materialien dieser Klasse ihre Photonen-UC-Fähigkeit verlieren, wenn sie Luft ausgesetzt werden.
Um dieses Material herzustellen, schmolzen die Forscher einen Sensibilisator (dh einen molekularen Chromophor, der langwelligere Photonen absorbieren kann) mit einer viel größeren Menge eines Vernichters (dh eines organischen Moleküls, das die durch Tripletts angeregte Energie vom Sensibilisator erhielt und dann verursachte). das TTA-Verfahren); die Kombination aus Sensibilisator und Vernichter wurde von den Forschern ausgewählt. Diese Zweikomponentenschmelze wurde dann über einer Oberfläche mit kontrolliertem Temperaturgradienten gekühlt, um einen dünnen Festkörper-Photonen-UC-Dünnfilm zu bilden, der im UV-Bereich sichtbar ist.
Diese neuartige Technik – Temperaturgradientenverfestigung – ist gut kontrollierbar und reproduzierbar, was bedeutet, dass sie mit realistischen industriellen Prozessen kompatibel ist. Prof. Murakami sagt uns: „Wir glauben, dass die temperaturgesteuerte Verfestigung eine solide Grundlage für die Entwicklung fortschrittlicher Photonen-UC-Filme bieten kann, auch auf einem festen Substrat ohne Verwendung organischer Lösungsmittel, wie diese Arbeit zum ersten Mal demonstriert.“
Um schließlich die Photonen-UC des Dünnfilms zwischen sichtbarem und UV-Licht zu demonstrieren, verwendeten die Forscher ihn mit einem simulierten Sonnenlicht mit einer Intensität von 1 Sonne, das nur aus sichtbarem Licht bestand, um ein Harz erfolgreich zu härten und zu verfestigen, für das sonst UV-Licht erforderlich wäre gleichen Prozess.
Diese Studie stellte zum allerersten Mal eine neuartige Klasse von UC-Feststoffen mit beispielloser Photostabilität vor, die in Gegenwart von Luft realistisch für die Aufwärtskonvertierung von sichtbaren Lichtphotonen geringer Intensität in UV-Lichtphotonen verwendet werden können.
„Unsere Forschung wird nicht nur die Erforschung einer neuen Klasse von UV-lichterzeugenden Materialien erweitern, sondern auch dazu beitragen, die Nützlichkeit des reichlich vorhandenen schwachen sichtbaren Lichts auf Anwendungen zu erweitern, die von UV-Licht angetrieben werden“, schließt Prof. Murakami.
Mehr Informationen:
Riku Enomoto et al, Lösungsmittelfreie Temperaturgradienten-Schmelzbildung von effizienten organischen Filmen mit sichtbarer bis UV-Photonen-Aufwärtskonvertierung mit subsolarer Schwelle und über 100 h Photostabilität in Luft, Zeitschrift für Materialchemie C (2022). DOI: 10.1039/D2TC04578H