【原】一种不使用重金属且可将可见光高效转换为紫外光的分子材料

AIpatent 2022-09-23 发布于上海

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摘要：日本的研究小组发现了一种分子材料，该材料虽然不含重金属，但能够将可见光高效上转换为紫外光，有望开发出低成本且高可持续性的上转换系统，并且通过与光催化剂结合，有望广泛应用于燃料生产、除臭和抗菌以及环境净化。

关键字：分子材料、上转换系统、光催化剂、紫外光、燃料生产、环境净化

要点

① 为了提高使用光催化剂的燃料生产和环境净化系统的效率，开发一种不使用重金属，且将可见光高效上转换为紫外光的技术非常重要

② 本研究大幅刷新了以往不使用重金属的可见光上转换为紫外光的转换效率的记录，从8.2%提升至20.3%

③ 有望应用于低成本且可持续的燃料生产和环境净化系统

概要

波长为400nm及以下的紫外光通过与光催化剂组合，可广泛用于燃料生产、室内除臭、抗菌以及环境净化等，极为重要。但是，到达地表的太阳光中所含的紫外光的比例非常低，因此需要人工产生。

在本项研究中，日本的研究小组发现了一种分子材料，该材料虽然不含重金属，但能够将可见光高效上转换为紫外光。如果通过使用三重态-三重态湮灭（TTA）的光子上转换（UC），能够将太阳光中富含的400nm及以上波长的可见光高效地转换为紫外光，则可以大规模地利用光催化剂，有望实现清洁燃料生产和环境净化系统。

本研究大幅刷新了以往不使用重金属的可见光上转换为紫外光的转换效率的记录，从8.2%提升至20.3%。此外，在以往的系统中，需要比太阳光强1000倍左右的可见光；但在本系统中，即使强度与太阳光相同，也可以将可见光转换为紫外光。由于本系统不使用铱和镉等重金属，因此有望实现低成本和高可持续性。今后，通过与光催化剂相结合，有望应用于燃料生产和环境净化系统。

（参考图）通过不含重金属的分子染料材料将可见光高效转换为紫外光

研究背景与经过

光子上转换(UC)是一种将低能光转换为高能光的方法。近年来，对以清洁且取之不尽的能源——太阳光为光源，制造作为化石燃料的替代能源而备受关注的氢，以及有害物质的分解、除臭和抗菌等光催化剂等进行了许多相关研究。为了提高这些工艺的效率，使用高能量的紫外光（波长为400nm或更短）非常重要，但是到达地表的太阳光中紫外光的比例有限，大多数是波长在400nm或更长的可见光和近红外光（图1a）。而且，太阳光的强度较弱，仅为几mW/cm²，因此有必要开发一种由低激发光强度驱动的上转换系统，以提高光催化剂的效率。

上转换有许多机制，特别是基于有机分子的三重态-三重态湮灭的上转换（TTA-UC）相比可其他机制能够转换强度更弱的光，因此更加实用（图1b）。有文献宣称现有TTA-UC系统（可见→紫外TTA-UC）的UC效率可超过20%，但其供体分子中都含有铱和镉等重金属，在成本和可持续性方面都存在课题；另一方面，虽然也有文献提出了不使用重金属的可见→紫外TTA-UC系统，但UC效率最高仅为8.2%，而且需要强度比太阳光（数mW/cm²）强1000倍左右的激发光（>W/cm²）。因此，开发一种不使用重金属且高效的可见→紫外TTA-UC系统迫在眉睫。

图1.(a)太阳光的光谱图 (b)可见→紫外TTA-UC的能量图

研究内容和成果

基于此，本研究对具有强可见光吸收和高系间窜越（ISC）效率的不含重金属的供体分子进行了探索，并着眼于酮香豆素衍生物。通过与研究小组早期开发的可从供体分子高效接收能量并将其与在紫外区域发光的受体分子相结合，在不含重金属的可见→紫外TTA-UC系统中实现了20.3%的最高UC效率（图2）。此外，与现有系统需要强激发光（>W/cm²）相比，本系统成功地将驱动TTA-UC所需的激发光强度大幅降低到数十mW/cm²。