記者從中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲悉，該所科研人員在量子點(diǎn)光化學(xué)研究中取得重要進(jìn)展。科研人員率先實(shí)現(xiàn)了低毒性量子點(diǎn)敏化的近紅外至可見上轉(zhuǎn)換，并將該體系與有機(jī)光催化融合，實(shí)現(xiàn)了高效快速的太陽(yáng)光合成，有望對(duì)光合成技術(shù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。相關(guān)成果近期在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然-光子學(xué)》發(fā)表。
基于太陽(yáng)光開展能源轉(zhuǎn)化和工業(yè)生產(chǎn)，是解決全球能源危機(jī)、助力我國(guó)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一。太陽(yáng)光中蘊(yùn)含著大量的紅外光子，這些光子不為人眼所見，且能量較低，通常難以有效轉(zhuǎn)化和利用。膠體量子點(diǎn)是一類溶液法生產(chǎn)的理想捕光材料，它們的吸光范圍很容易被拓展至紅外波段。同時(shí)，吸光后的激發(fā)態(tài)量子點(diǎn)能夠參與豐富的光化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程，生產(chǎn)太陽(yáng)燃料或者精細(xì)化學(xué)品，是國(guó)際上的重要科學(xué)前沿。
中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳凱豐研究員、梁文飛、聶成銘博士、杜駿副研究員等人組成的科研團(tuán)隊(duì)深入系統(tǒng)地研究了量子點(diǎn)敏化有機(jī)分子三線態(tài)的動(dòng)力學(xué)機(jī)制，并探索了這些新機(jī)制在光子上轉(zhuǎn)換、有機(jī)光合成等領(lǐng)域的初步應(yīng)用。此次研究中，團(tuán)隊(duì)聚焦于CuInSe2基近紅外量子點(diǎn)，該類量子點(diǎn)相對(duì)綠色環(huán)保，可用于替代劇毒性的鉛基近紅外量子點(diǎn)。
團(tuán)隊(duì)制備了ZnS包覆的Zn摻雜CuInSe2核殼量子點(diǎn)，有效解決了該類量子點(diǎn)缺陷多和穩(wěn)定性差的難題。隨后，科研人員在量子點(diǎn)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。該體系成功實(shí)現(xiàn)了近紅外至黃光的上轉(zhuǎn)換，量子效率高達(dá)16.7%。
科研人員進(jìn)一步將該上轉(zhuǎn)換體系與有機(jī)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(jī)氧化、還原、光聚合等反應(yīng)，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(diǎn)重吸收損失。此外，得益于近紅外光子的有效利用和量子點(diǎn)的寬譜吸收特性，該上轉(zhuǎn)換-有機(jī)催化融合體系可在太陽(yáng)光下高效快速運(yùn)行。在室內(nèi)窗臺(tái)上(光照強(qiáng)度約32mWcm-2)，幾秒內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)丙烯酸酯的光誘導(dǎo)聚合。
吳凱豐研究員介紹，一個(gè)世紀(jì)以來(lái)，在陽(yáng)光下進(jìn)行有機(jī)合成是許多科學(xué)家的想法，但前期的探索主要局限于利用太陽(yáng)光中的可見光子。這項(xiàng)研究將太陽(yáng)能合成的范圍擴(kuò)大到了陽(yáng)光中豐富的可見光和近紅外光子，將有力地推動(dòng)光合成技術(shù)的發(fā)展。
據(jù)了解，紅外光到可見光的上轉(zhuǎn)換在能源、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等諸多領(lǐng)域具有重要意義。比如對(duì)太陽(yáng)能電池而言，上轉(zhuǎn)換能使器件可以有效利用陽(yáng)光中大量的低能量紅外光子，顛覆性地提升太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。在各類上轉(zhuǎn)換技術(shù)中，基于有機(jī)分子三線態(tài)湮滅的光敏化技術(shù)可對(duì)非相干、非脈沖光源實(shí)現(xiàn)上轉(zhuǎn)換，具有較強(qiáng)的實(shí)用前景。該工作不僅實(shí)現(xiàn)了低毒性量子點(diǎn)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(yáng)光合成的新路徑。這一交叉創(chuàng)新型研究成果對(duì)光化學(xué)和光合成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
(總臺(tái)央視記者 帥俊全 褚爾嘉 央視新聞客戶端)