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Moléculas convertem luz visível em luz ultravioleta com eficiência recorde
Novo desenvolvimento de pesquisadores japoneses torna possível a conversão eficiente de luz visível, mesmo fraca, em luz ultravioleta
Divulgação, Universidade Kyushu
Os processos que dependem de energia da 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 que pode converter diretamente a luz visível em ultravioleta com uma eficiência que dobra os valores de eficiência alcançados anteriormente.
Desenvolvido por pesquisadores da Universidade Kyushu, no Japão, o sistema atinge uma eficiência de conversão de luz de 20% em altas intensidades e mantém um desempenho relativamente alto mesmo sob luz fraca, tornando-se promissor para o aproveitamento da luz visível já 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, o Dr. Nobuhiro Yanai, professor do Departamento de Química e Bioquímica da Universidade Kyushu, tem procurado maneiras de aumentar o número desses raios de alta energia para alimentar fotocatalisadores que podem permitir uma variedade de reações úteis, desde a produção de hidrogênio para uso em veículos com células a combustível até a purificação de ambientes internos.
“Embora fontes de luz dedicadas, como LEDs ultravioleta, possam ser usadas para conduzir essas reações, elas consomem energia e aumentam a complexidade [da solução]. Em vez disso, uma solução muito mais elegante é colher a luz solar e a luz ambiente interna que já está ao nosso redor”, explicou o Dr. Yanai.
No entanto, 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, então os pesquisadores têm procurado maneiras de converter diretamente a luz visível com comprimentos de onda superiores a 400 nm (nanômetros) em luz ultravioleta de alta energia.
Para fazer isso, a equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Yanai e pelo Dr. Nobuo Kimizuka tem se concentrado em um processo chamado aniquilação de tripleto-tripleto. Nesse processo, estados energéticos chamados tripletos são formados nas moléculas após a absorção da luz visível. Essas moléculas “doadoras” então dão seus tripletos para moléculas “recebedoras” 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 da conversão de luz visível para ultravioleta usando aniquilação tripleto-tripleto era de cerca de 10% e só poderia ser alcançada com luz visível 1.000 vezes mais intensa do que a luz solar.
O Dr. Yanai e seu grupo publicaram resultados de pesquisa na revista científica Angewandte Chemie International Edition em que relatam a quebra esse recorde ao mesmo tempo em que foram alcançadas maiores eficiências com a luz fraca visível do sol e também com luz de LEDs.
“Há mais de cinco anos tentamos melhorar a eficiência desse processo, mas estávamos em torno de 5%. Finalmente fomos capazes de dar um grande salto através de um novo design molecular, que nos deu as moléculas certas para um desempenho excelente”, destacou o Dr. Yanai.
A baixa eficiência da aniquilação de tripleto-tripleto pelas moléculas “recebedoras” de emissão ultravioleta e a extinção da emissão ultravioleta gerada pelas moléculas doadoras criadoras de tripletos têm sido duas questões-chave que limitam o desempenho da conversão.
Para superar esses problemas, os pesquisadores desenvolveram uma nova molécula aceptora, chamada TIPS-naftaleno, que tem uma alta eficiência de aniquilação de tripleto-tripleto e energia baixa o suficiente para aceitar facilmente tripletos de uma molécula chamada Ir(C6)2(acac), uma doadora superior que eles descobriram anteriormente que não absorve fortemente a emissão de UV convertida.
A combinação de TIPS-naftaleno e Ir(C6)2(acac) alcançou com sucesso a maior eficiência de conversão de 20,5% sob luz de alta intensidade.
Além disso, o sistema também consegue diminuir significativamente a intensidade da luz de excitação necessária em comparação com os sistemas convencionais, alcançando eficiências de conversão de cerca de 10%, mesmo em intensidades semelhantes às da luz solar. “Este sistema pode converter com eficiência 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 ”, concluiu o Dr. Yanai.
Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).
Acesse a notícia completa na página da Universidade Kyushu (em inglês).
Fonte: Universidade Kyushu. Imagem: Divulgação, Universidade Kyushu.
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