Une nouvelle voie pour l'upconversion durable des photons avec des métaux non précieux

Les applications chimiques durables doivent pouvoir utiliser des sources d'énergie renouvelables, des matières premières renouvelables et des éléments terrestres abondants. Toutefois, jusqu'à présent, de nombreuses techniques n'ont été possibles qu'avec l'utilisation de métaux précieux ou de terres rares coûteux, dont l'extraction peut avoir de graves répercussions sur l'environnement. Une équipe de chercheurs comprenant le professeur Katja Heinze et le professeur Christoph Kerzig de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) ainsi que le Dr Ute Resch-Genger du Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) allemand a réalisé une percée dans l'utilisation du chrome, un métal de base abondant que le groupe de Mme Heinze étudie depuis un certain temps. Les nouveaux résultats montrent que les composés de chrome, également appelés rubis moléculaires, peuvent remplacer les métaux précieux coûteux dans la conversion ascendante des photons. L'upconversion de photons (UC) est un processus dans lequel l'absorption séquentielle de deux photons de plus faible énergie conduit à l'émission d'un photon de plus haute énergie. Ce photon de plus haute énergie peut en principe être utilisé pour étendre l'utilisation de la lumière solaire à faible énergie dans les cellules solaires ou les réactions photochimiques qui, autrement, nécessitent une lumière UV pour être activées. L'utilisation de rubis moléculaires peut donc contribuer à réduire l'impact des processus nuisibles à l'environnement, tels que l'extraction de métaux précieux ou de terres rares, et à étendre la photochimie à des processus plus durables.

Les composés du chrome, une alternative prometteuse

La plupart des applications photochimiques et photophysiques, telles que les diodes électroluminescentes organiques phosphorescentes, les cellules solaires à colorant ou les réactions chimiques déclenchées par la lumière, utilisent des métaux précieux comme l'or, le platine, le ruthénium, l'iridium ou les métaux des terres rares. Cependant, les métaux précieux sont chers car ils sont rares alors que les terres rares ne sont exploitées que dans quelques pays, notamment en Chine. En outre, leur extraction implique souvent une consommation considérable d'eau, d'énergie et de produits chimiques. Dans certains cas, comme l'extraction de l'or, des substances hautement toxiques telles que le cyanure ou le mercure sont utilisées.

En revanche, les ressources du métal chrome, qui tire son nom du grec ancien signifiant couleur, sont 10 000 fois plus abondantes dans la croûte terrestre que celles du platine et 100 000 fois plus que celles de l'iridium, ce qui signifie qu'il est disponible en quantités suffisantes. "Malheureusement, les propriétés photophysiques de métaux abondants comme le chrome ou le fer ne sont tout simplement pas assez bonnes pour être utiles dans des applications technologiques, notamment en ce qui concerne les durées de vie et les énergies de leurs états électroniquement excités", explique le professeur Katja Heinze du département de chimie de la JGU. Ce n'est qu'au cours des dernières années que des progrès significatifs ont été réalisés à cet égard, l'équipe de Mme Heinze étant l'un des principaux contributeurs. Ils ont également participé à la mise au point de ce que l'on appelle les rubis moléculaires. Il s'agit de composés moléculaires solubles qui possèdent des caractéristiques d'état excité exceptionnellement bonnes. Les rubis moléculaires ont déjà été utilisés comme thermomètres optiques moléculaires et comme capteurs de pression.

Observation directe des processus de transfert d'énergie grâce à un nouveau dispositif laser à grande échelle

L'équipe de scientifiques de Mayence et de Berlin vient de réaliser une nouvelle percée. "Ce faisant, nous avons observé un nouveau mécanisme et compris en détail la grande efficacité des nouveaux composés de chrome", a déclaré le professeur Christoph Kerzig. Les scientifiques ont réussi à observer directement la voie de transfert d'énergie inhabituelle à l'aide d'un dispositif laser récemment installé dans le groupe de Kerzig. Cette technique de photolyse flash au laser leur a permis de détecter tous les intermédiaires importants pour les mécanismes d'upconversion. En outre, des expériences quantitatives au laser ont établi l'absence de canaux de perte d'énergie et de réactions secondaires inhérentes, ce qui jette les bases d'applications efficaces de cette voie peu explorée de transfert et de conversion de l'énergie solaire avec des composés de chrome.

Par conséquent, les scientifiques pourraient être en mesure de développer à l'avenir de nouvelles réactions commandées par la lumière en utilisant le métal commun qu'est le chrome, au lieu d'utiliser les composés rares et plus coûteux que sont le ruthénium et l'iridium, qui sont encore aujourd'hui les plus fréquemment utilisés. "Avec nos partenaires du BAM de Berlin et d'autres universités, nous allons poursuivre nos efforts pour développer une photochimie plus durable", a souligné le professeur Katja Heinze.