Weltweit erste LED-Leuchten aus Reishülsen entwickelt

Natürliche Produkte und ihre Abfälle könnten das Potenzial haben, in ungiftige optoelektronische Geräte umgewandelt zu werden

19.04.2022 - Japan

Beim Mahlen von Reis, um die Körner von den Schalen zu trennen, fallen weltweit jedes Jahr etwa 100 Millionen Tonnen Reishülsenabfälle an. Wissenschaftler, die auf der Suche nach einer skalierbaren Methode zur Herstellung von Quantenpunkten sind, haben einen Weg gefunden, Reishülsen zu recyceln, um die erste Silizium-Quantenpunkt-LED zu erzeugen. Ihre neue Methode verwandelt landwirtschaftliche Abfälle auf kostengünstige und umweltfreundliche Weise in modernste Leuchtdioden.

Das Forscherteam vom Naturwissenschaftlichen Zentrum für Grundlagenforschung und Entwicklung der Universität Hiroshima veröffentlichte seine Ergebnisse am 28. Januar 2022 in der Zeitschrift ACS Sustainable Chemistry & Engineering der American Chemical Society.

"Da typische QDs oft giftige Materialien wie Cadmium, Blei oder andere Schwermetalle enthalten, wurden bei der Verwendung von Nanomaterialien häufig Umweltbedenken geäußert. Der von uns vorgeschlagene Prozess und die Herstellungsmethode für QDs minimieren diese Bedenken", sagte Ken-ichi Saitow, Hauptautor der Studie und Professor für Chemie an der Hiroshima-Universität.

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Seit der Entdeckung von porösem Silizium (Si) in den 1950er Jahren haben Wissenschaftler dessen Einsatzmöglichkeiten in Lithium-Ionen-Batterien, Leuchtstoffen, biomedizinischen Sensoren und Medikamentenverabreichungssystemen erforscht. Silizium ist ungiftig und kommt in der Natur reichlich vor. Es besitzt photolumineszente Eigenschaften, die auf seine mikroskopischen (quantengroßen) Punktstrukturen zurückzuführen sind, die als Halbleiter dienen.

Die Forscher waren sich der Umweltprobleme bewusst, die mit den derzeitigen Quantenpunkten verbunden sind, und suchten nach einer neuen Methode zur Herstellung von Quantenpunkten, die positive Auswirkungen auf die Umwelt hat. Es stellte sich heraus, dass Reisschalenabfälle eine hervorragende Quelle für hochreines Siliziumdioxid (SiO2) und wertvolles Si-Pulver sind.

Das Team verwendete eine Kombination aus Mahlen, Wärmebehandlung und chemischem Ätzen, um das Reishülsen-Siliziumdioxid zu verarbeiten: Zunächst wurden die Reishülsen gemahlen und das Siliziumdioxid (SiO2)-Pulver durch Abbrennen der organischen Verbindungen der gemahlenen Reishülsen extrahiert. Zweitens erhitzten sie das entstandene Kieselsäurepulver in einem Elektroofen, um durch eine Reduktionsreaktion Si-Pulver zu erhalten. Drittens handelte es sich bei dem Produkt um ein gereinigtes Si-Pulver, das durch chemisches Ätzen auf eine Größe von 3 Nanometern reduziert wurde. Schließlich wurde die Oberfläche chemisch funktionalisiert, um eine hohe chemische Stabilität und eine hohe Dispergierbarkeit in Lösungsmitteln zu erreichen, wobei die kristallinen Teilchen eine Größe von 3 nm aufwiesen, um die SiQDs herzustellen, die im orange-roten Bereich mit einer hohen Lumineszenzeffizienz von über 20 % leuchten.

"Dies ist die erste Forschung zur Entwicklung einer LED aus Reisschalenabfällen", sagte Saitow und fügte hinzu, dass die ungiftige Qualität von Silizium sie zu einer attraktiven Alternative zu den heute verfügbaren halbleitenden Quantenpunkten macht.

"Die vorliegende Methode wird zu einer edlen Methode für die Entwicklung umweltfreundlicher Quantenpunkt-LEDs aus Naturprodukten", sagte er.

Die LEDs wurden aus einer Reihe von Materialschichten zusammengesetzt. Ein Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Glassubstrat war die LED-Anode; es ist ein guter Stromleiter und gleichzeitig ausreichend transparent für die Lichtemission. Auf das ITO-Glas wurden weitere Schichten aufgeschleudert, darunter auch die Schicht aus SiQDs. Das Material wurde mit einer Aluminiumfilmkathode abgedeckt.

Die vom Team entwickelte chemische Synthesemethode ermöglichte es ihnen, die optischen und optoelektrischen Eigenschaften der SiQD-Leuchtdiode zu bewerten, einschließlich der Strukturen, Syntheseausbeuten und Eigenschaften der SiO2- und Si-Pulver sowie der SiQDs.

"Indem wir SiQDs mit hoher Ausbeute aus reichen Schalen synthetisieren und in organischen Lösungsmitteln dispergieren, ist es möglich, dass diese Prozesse eines Tages in großem Maßstab umgesetzt werden können, wie andere chemische Prozesse mit hoher Ausbeute", sagte Saitow.

Zu den nächsten Schritten des Teams gehört die Entwicklung einer höheren Effizienz der Lumineszenz in den SiQDs und den LEDs. Sie werden auch die Möglichkeit erforschen, SiQD-LEDs in einer anderen als der orange-roten Farbe herzustellen, die sie gerade entwickelt haben. Mit Blick auf die Zukunft schlagen die Wissenschaftler vor, dass die von ihnen entwickelte Methode auch auf andere Pflanzen angewendet werden könnte, die SiO2 enthalten, z. B. Zuckerrohr, Bambus, Weizen, Gerste oder Gräser. Diese natürlichen Produkte und ihre Abfälle könnten das Potenzial haben, in ungiftige optoelektronische Geräte umgewandelt zu werden. Letztendlich möchten die Wissenschaftler diesen umweltfreundlichen Ansatz zur Herstellung leuchtender Geräte aus Reishülsenabfällen kommerziell nutzen.

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