近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所光電材料動(dòng)力學(xué)研究組研究員吳凱豐團(tuán)隊(duì)在量子點(diǎn)光化學(xué)研究中取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了低毒性量子點(diǎn)敏化的近紅外光至可見(jiàn)光的上轉(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。

　　紅外光到可見(jiàn)光的上轉(zhuǎn)換在能源、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要意義。例如，對(duì)太陽(yáng)能電池而言，上轉(zhuǎn)換能使器件有效利用陽(yáng)光中大量的低能量紅外光子，提升太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率。在各類(lèi)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。然而，此前報(bào)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(duì)廉價(jià)環(huán)保的高效近紅外光敏劑仍有待開(kāi)發(fā)。

　　吳凱豐團(tuán)隊(duì)致力于膠體量子點(diǎn)的超快光物理與光化學(xué)研究。在超快光化學(xué)領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)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。以此為基礎(chǔ)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了CuInSe₂基量子點(diǎn)，用于替代劇毒性的鉛基近紅外量子點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)三線態(tài)敏化和近紅外上轉(zhuǎn)換。

　　本工作制備了ZnS包覆的Zn摻雜CuInSe₂核殼量子點(diǎn)，有效解決了該類(lèi)量子點(diǎn)缺陷多和穩(wěn)定性差的難題。研究在量子點(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。時(shí)間分辨光譜研究表明，該類(lèi)量子點(diǎn)的光生電子和空穴均會(huì)在皮秒尺度被局域在量子點(diǎn)本身的缺陷位點(diǎn)。該局域化電子-空穴對(duì)仍可在納秒尺度傳遞至量子點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了近紅外至黃光的上轉(zhuǎn)換，量子效率達(dá)16.7%。

　　此外，該工作進(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)。該設(shè)計(jì)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32 mW cm^-2）幾秒內(nèi)即可實(shí)現(xiàn)丙烯酸酯的光誘導(dǎo)聚合。

　　該工作實(shí)現(xiàn)了低毒性量子點(diǎn)敏化的近紅外至可見(jiàn)高效上轉(zhuǎn)換，發(fā)展了高效快速太陽(yáng)光合成的新路徑。這一交叉創(chuàng)新型成果對(duì)光化學(xué)和光合成技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。相關(guān)研究成果以Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals為題，發(fā)表在《自然-光子學(xué)》（Nature Photonics）上。研究工作得到中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、大連化物所創(chuàng)新基金等的支持。

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大連化物所實(shí)現(xiàn)低毒性量子點(diǎn)近紅外上轉(zhuǎn)換與太陽(yáng)光合成