L’importance de l’énergie solaire en tant que source d’énergie renouvelable augmente. La lumière du soleil contient une lumière UV à haute énergie avec une longueur d’onde inférieure à 400 nm, qui peut être largement utilisée, par exemple, pour la photopolymérisation pour former une résine et l’activation de photocatalyseurs pour conduire des réactions qui génèrent de l’hydrogène vert ou des hydrocarbures utiles (carburants, sucres, oléfines , etc.). Cette dernière est souvent appelée « photosynthèse artificielle ». La réaction photocatalytique par la lumière UV pour tuer efficacement les virus et les bactéries est une autre application importante. Malheureusement, seulement 4 % environ de la lumière solaire terrestre se situe dans la plage UV du spectre électromagnétique. Cela laisse une grande partie du spectre de la lumière solaire inexploitée à ces fins.
La conversion ascendante de photons (UC) pourrait être la clé pour résoudre ce problème. C’est le processus de conversion des photons à grande longueur d’onde et à faible énergie (tels que ceux présents dans la lumière visible) en photons à courte longueur d’onde et à haute énergie (tels que ceux présents dans la lumière UV) via un processus appelé » annihilation triplet-triplet » (TTA). Des travaux antérieurs dans ce domaine ont rapporté des UC visibles aux UV utilisant des solutions de solvants organiques qui nécessitaient que la solution soit d’abord désoxygénée, puis scellée dans un récipient hermétique pour éviter l’exposition à l’oxygène qui désactivait et dégradait les échantillons UC de photons à base de TTA. Non seulement ces matériaux manquaient de photostabilité en présence d’oxygène, mais ils ne fonctionnaient pas non plus efficacement avec la lumière incidente d’intensité solaire. Ces problèmes ont présenté des obstacles dans les applications pratiques de la CU à photons.
Maintenant, deux scientifiques de Tokyo Tech—Prof. Yoichi Murakami et son étudiant diplômé Riku Enomoto – ont trouvé une solution à ces problèmes – un film solide révolutionnaire qui peut effectuer une UC photonique visible à UV pour une faible lumière incidente tout en restant photostable pendant une durée sans précédent dans l’air. Ils décrivent cette invention révolutionnaire dans leur article publié dans le Journal de chimie des matériaux C.
Le professeur Murakami explique la nouveauté de leurs recherches : « Notre invention permettra l’utilisation pratique de la partie visible de la lumière de faible intensité, comme la lumière du soleil et l’éclairage d’ambiance à LED, pour des applications qui sont efficacement réalisées avec la lumière UV. Et sa photostabilité— démontré qu’il est d’au moins plus de 100 heures, même en présence d’air – est le plus élevé jamais signalé dans n’importe quel matériau UC à photons à base de TTA, quelle que soit la forme du matériau, tant que nous pouvions étudier.
En plus de cette photostabilité record, ces films avaient un seuil d’excitation ultra-bas (seulement 0,3x l’intensité du soleil) et un rendement quantique UC élevé de 4,3% (efficacité d’émission UC normalisée de 8,6%) – les deux en présence d’air – ce qui en fait matériau unique en son genre, car la plupart des matériaux de cette classe perdent leur capacité photonique UC lorsqu’ils sont exposés à l’air.
Pour préparer ce matériau, les chercheurs ont fait fondre un sensibilisateur (c’est-à-dire un chromophore moléculaire capable d’absorber des photons de plus grande longueur d’onde) avec une quantité beaucoup plus importante d’un annihilateur (c’est-à-dire une molécule organique qui a reçu l’énergie excitée par le triplet du sensibilisateur et a ensuite provoqué le processus TTA); la combinaison du sensibilisant et de l’annihilateur a été sélectionnée par les chercheurs. Cette masse fondue à deux composants a ensuite été refroidie sur une surface à gradient de température contrôlé pour former un film mince UC photonique visible à UV à l’état solide.
Cette nouvelle technique, la solidification par gradient de température, est hautement contrôlable et reproductible, ce qui signifie qu’elle est compatible avec des processus industriels réalistes. Le professeur Murakami nous dit : « Nous pensons que la solidification à température contrôlée peut fournir une base solide pour développer des films UC à photons avancés, cela aussi sur un substrat solide sans utiliser de solvants organiques, comme le démontre pour la première fois ce travail. »
Enfin, pour démontrer le photon visible à UV UC du film mince, les chercheurs l’ont utilisé avec une lumière solaire simulée d’une intensité solaire composée uniquement de lumière visible pour réussir à durcir et à solidifier une résine qui nécessiterait autrement de la lumière UV pour le même processus.
Cette étude a présenté, pour la toute première fois, une nouvelle classe de solides UC avec une photostabilité sans précédent qui peut être utilisée de manière réaliste pour la conversion ascendante de photons de lumière visible de faible intensité en photons de lumière UV en présence d’air.
« Notre recherche élargira non seulement l’exploration d’une nouvelle classe de matériaux générant de la lumière UV, mais contribuera également à élargir considérablement l’utilité de la lumière visible faible abondante vers des applications qui sont pilotées par la lumière UV », conclut le professeur Murakami.
Plus d’information:
Riku Enomoto et al, Formation par fusion à gradient de température sans solvant de films organiques efficaces de conversion ascendante de photons visibles en UV avec seuil subsolaire et plus de 100 h de photostabilité dans l’air, Journal de chimie des matériaux C (2022). DOI : 10.1039/D2TC04578H