Une voie durable pour la photochimie à forte consommation d'énergie

De nombreux processus photochimiques reposent sur la lumière UV provenant de sources lumineuses inefficaces ou toxiques que la technologie LED ne peut remplacer pour des raisons techniques. Une équipe internationale de scientifiques dirigée par le professeur Christoph Kerzig de l'université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU), en Allemagne, et le professeur Nobuhiro Yanai de l'université Kyushu, au Japon, a mis au point le premier système moléculaire permettant de convertir la lumière bleue en photons UV très énergétiques d'une longueur d'onde inférieure à 315 nanomètres. Ces photons dans la gamme dite UVB sont essentiels pour de nombreux processus photochimiques dans le cadre de la conversion de la lumière en énergie, de la désinfection, ou encore des applications de traitement des eaux usées. Cependant, la lumière du soleil ne peut pas fournir de photons UVB, et leur génération artificielle repose généralement sur des lampes à mercure ou d'autres solutions très inefficaces. Les nouveaux résultats montrent qu'un système d'upconversion de photons (UC) sans métal peut transformer la lumière visible facilement disponible en photons UVB. Cette percée peut donc être considérée comme une approche plus respectueuse de l'environnement. Les premières applications sans mercure ont déjà été démontrées en laboratoire.

Une recherche collaborative de longue date

Les deux groupes de recherche ont commencé à travailler sur l'upconversion il y a plusieurs années. Il s'agit d'un processus dans lequel l'absorption de deux photons de plus faible énergie entraîne l'émission d'un photon de plus haute énergie. Cette technique a été développée pour augmenter l'efficacité des cellules solaires, principalement en convertissant les photons de faible énergie dans la région infrarouge. "En revanche, les photons UV hautement énergétiques sont à portée de main lorsque la lumière bleue est utilisée comme source d'énergie", explique le professeur Kerzig du département de chimie de l'université de Mayence. Des molécules sur mesure ont été préparées à Mayence et caractérisées avec un nouveau dispositif laser à grande échelle récemment installé dans le groupe de Kerzig. En outre, des techniques spectroscopiques spéciales du laboratoire du professeur Nobuhiro Yanai ont été appliquées au système UC afin de comprendre ses performances en détail.

Bien que l'article actuel représente la première collaboration entre les groupes Kerzig et Yanai, les départements de chimie des deux universités ont un programme d'échange d'étudiants bien établi. Cette nouvelle collaboration renforcera le réseau entre Mainz et Kyushu.

Développement de matériaux d'upconversion réutilisables

Les scientifiques ont utilisé une LED bleue commerciale comme source de lumière et ont exploité la lumière UV générée pour le clivage de liaisons chimiques fortes qui, autrement, nécessiteraient des conditions de réaction très difficiles. En outre, grâce à l'installation laser de Mayence, le doctorant Till Zähringer a pu observer tous les intermédiaires du mécanisme complexe de conversion de l'énergie. "Notre prochain objectif est de développer des matériaux réutilisables pour des applications polyvalentes", a déclaré le professeur Nobuhiro Yanai. Son groupe à Kyushu est bien connu pour le développement de matériaux photoactifs. La combinaison de la science des matériaux, de la photochimie et de la photocatalyse dans le cadre de la collaboration Kyushu-Mainz ouvrira la voie à cet objectif ambigu.