【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】近日，大連化物所光電材料動力學(xué)研究組(1121組)吳凱豐研究員團隊在量子點光化學(xué)研究中取得新進(jìn)展，實現(xiàn)了低毒性量子點敏化的近紅外光至可見光的上轉(zhuǎn)換，并將該體系與有機光催化融合，實現(xiàn)了高效快速的太陽光合成。
 

　　紅外光到可見光的上轉(zhuǎn)換在能源、醫(yī)學(xué)、國防等諸多領(lǐng)域具有重要意義。例如，對太陽能電池而言，上轉(zhuǎn)換能使器件有效利用陽光中大量的低能量紅外光子，顛覆性地提升太陽能轉(zhuǎn)換效率。在各類上轉(zhuǎn)換技術(shù)中，基于有機分子三線態(tài)湮滅的光敏化技術(shù)可對非相干、非脈沖光源實現(xiàn)上轉(zhuǎn)換，具有較強的實用前景。然而，此前報道的近紅外光敏劑普遍效率較低或含有貴金屬和有毒金屬，相對廉價環(huán)保的高效近紅外光敏劑仍然有待開發(fā)。
 

　　吳凱豐研究團隊一直致力于膠體量子點的超快光物理與光化學(xué)研究。在超快光化學(xué)領(lǐng)域，團隊深入系統(tǒng)研究了量子點敏化有機分子三線態(tài)的動力學(xué)機制，并探索了這些新機制在光子上轉(zhuǎn)換、有機光合成等領(lǐng)域的初步應(yīng)用。在這些前期基礎(chǔ)之上，團隊開發(fā)了CuInSe2基量子點，用于替代劇毒性的鉛基近紅外量子點，實現(xiàn)三線態(tài)敏化和近紅外上轉(zhuǎn)換。
 

　　本工作中，團隊首先制備了ZnS包覆的Zn摻雜CuInSe2核殼量子點，有效解決了該類量子點缺陷多和穩(wěn)定性差的難題。團隊在量子點表面修飾羧基化的并四苯分子作為三線態(tài)受體，并采用紅熒烯分子作為湮滅劑，構(gòu)建了溶液相上轉(zhuǎn)換體系。時間分辨光譜研究表明，該類量子點的光生電子和空穴都會在皮秒尺度被局域在量子點本身的缺陷位點。該局域化電子—空穴對仍然能夠在納秒尺度傳遞至量子點表面的并四苯分子，高效生成自旋三線態(tài)，并進(jìn)一步傳遞至溶液中的紅熒烯分子，進(jìn)行三線碰撞湮滅。該體系實現(xiàn)了近紅外至黃光的上轉(zhuǎn)換，量子效率高達(dá)16.7%。
 

　　此外，團隊進(jìn)一步將該上轉(zhuǎn)換體系與有機光催化融合，將上轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的紅熒烯單線態(tài)直接用于“原位”有機氧化、還原、光聚合等反應(yīng)。該設(shè)計巧妙避免了上轉(zhuǎn)換光子傳播至溶液表面所經(jīng)歷的量子點重吸收損失。此外，得益于近紅外光子的有效利用和量子點的寬譜吸收特性，該上轉(zhuǎn)換—有機催化融合體系可在太陽光下高效快速運行。在室內(nèi)窗臺上(光照強度約32 mW cm-2)，幾秒內(nèi)即可實現(xiàn)丙烯酸酯的光誘導(dǎo)聚合。
 

　　該工作不僅實現(xiàn)了低毒性量子點敏化的近紅外至可見高效上轉(zhuǎn)換，還發(fā)展了一種高效快速太陽光合成的新路徑。這一交叉創(chuàng)新型研究成果對光化學(xué)和光合成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
 

　　相關(guān)成果以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”為題，于近日發(fā)表在《自然—光子學(xué)》(Nature Photonics)上。該工作的共同第一作者是我所1121組梁文飛、聶成銘博士、杜駿副研究員。上述工作獲得了中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、我所創(chuàng)新基金等項目的支持。(文/圖 杜駿)