吳凱豐課題組Nature Photonics最新力作:非鉛近紅外量子點上轉換與光催化
- 【導讀】
地球太陽光譜(AM1.5)中紅外波段的光占比高達45%,如何有效利用這個波段的光是實現高效利用太陽能的關鍵。作為一種低激發閾值(太陽光可激發)、高效率的上轉換發光策略,三重態-三重態湮滅上轉換發光(TTA-UC)可以將紅外波段的太陽光轉換為可見光,有助于提升紅外波段太陽光的利用,因而有望被廣泛應用于光催化、太陽能電池等領域。
- 【成果掠影】
近日,中科院大連化物所吳凱豐團隊在Nature Photonics上發表了新的研究論文,利用Zn2+: CuInSe2@ZnS紅外量子點作為敏化劑實現了外量子效率高達16%的TTA-UC。長久以來,化學家希望利用紅外波段太陽光實現高附加值的化學反應。然而,目前能工作在紅外波段的光敏劑大部分含有Pt,Pd等貴金屬或者毒性較大的金屬離子(Pb2+)且效率較低。此研究中所采用的Zn2+: CuInSe2@ZnS量子點較好地解決了以上問題。作者首先通過Zn2+離子摻雜和ZnS殼層包覆的方法有效增強了CuInSe2量子點的發光性能。隨后,作者將Zn2+:CuInSe2@ZnS作為敏化劑與作為中間體的羧基化的并四苯相結合(TCA)并通過瞬態吸收光譜系統地研究了這二者之間的的能量傳遞機理。分析表明,CuInSe2量子點經光激發產生的被缺陷束縛的激子通過三重態能量傳遞的方式傳遞給表面吸附的TCA分子,獲得具有長壽命的TCA分子三重態。最后,作者進一步引入紅熒烯分子實現了808 nm激發下到發射峰值位于580 nm左右可見光的、激發閾值約為2.1W/cm2的上轉換發光,效率高達16%。更為重要的是,作者展示了通過CuInSe2量子點敏化的TTA-UC過程產生的紅熒烯的單重態可以直接應用于光催化反應,解決了量子點敏化TTA-UC過程中嚴重的自吸收問題。
相關研究文章以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”為題發表在Nature Photonics上。
- 【核心創新點】
采用Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點實現了高效率的近紅外到可見光的三重態-三重態湮滅上轉換發光。
- 【數據概覽】
圖1.?Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點的激發態動力學和能量傳遞過程。(a) Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點的TEM照片。(b) 原始Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點和吸附TCA分子后的吸收和發射光譜。(c) 原始Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點和吸附TCA分子后的發光衰減曲線。(d) 吸附TCA分子前后Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點的瞬態吸收光譜。(e) TCA分子三重態的瞬態吸收特征。(f) 三重態能量傳遞示意圖 ?2023 Springer Nature
圖2. 紅外光到可見光上轉換發光。(a) 基于Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點的上轉換發光系統示意圖。(b) 808 nm激發下紅外到可見上轉換發光的照片。(c) 上轉換發光光譜。(d) 基于不同Zn2+摻雜濃度下CuInSe2量子點的上轉換發光效率隨激發強度的關系。?2023 Springer Nature
圖3.?近紅外和太陽光驅動光氧化還原反應。(a) 由TTA-UC產生的紅熒烯單重態觸發的光氧化還原反應示意圖。(b) 808 nm激光和室內陽光照射下光氧化還原反應裝置。(c, d, e) 基于Zn2+:CuInSe2@ZnS量子點的TTA-UC系統敏化下不同的有機反應。 ?2023 Springer Nature
圖4. 近紅外和太陽光驅動聚合反應。(a) TMPTA光誘導聚合反應的示意圖。(b) 室內陽光誘導的聚合反應照片 ?2023 Springer Nature
表1. 光敏劑和湮滅劑濃度對TTA-UC和光氧化還原反應的影響
- 【成果啟示】
綜上,采用環境友好的CuInSe2量子點實現高效率近紅外到可見光的三重態湮滅上轉換發光為這項技術在光伏、光催化等領域的應用奠定了基礎。未來研究重點可分為兩種路線,一是將這種溶液中的上轉換-有機光催化融合體系應用于真正具有高附加值的有機化學反應;二是將該上轉換體系集成到固態薄膜中并保持高效率的上轉換發光效率,從而實現固態器件應用。
原文詳情:Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals, Nature Photonics, 2023,
DOI: https://doi.org/10.1038/s41566-023-01156-6
本文由NSCD供稿
文章評論(0)