吴凯丰课题组Nature Photonics最新力作：非铅近红外量子点上转换与光催化

• 【导读】

地球太阳光谱（AM1.5）中红外波段的光占比高达45%，如何有效利用这个波段的光是实现高效利用太阳能的关键。作为一种低激发阈值（太阳光可激发）、高效率的上转换发光策略，三重态-三重态湮灭上转换发光（TTA-UC）可以将红外波段的太阳光转换为可见光，有助于提升红外波段太阳光的利用，因而有望被广泛应用于光催化、太阳能电池等领域。

• 【成果掠影】

近日，中科院大连化物所吴凯丰团队在Nature Photonics上发表了新的研究论文，利用Zn²⁺: CuInSe₂@ZnS红外量子点作为敏化剂实现了外量子效率高达16%的TTA-UC。长久以来，化学家希望利用红外波段太阳光实现高附加值的化学反应。然而，目前能工作在红外波段的光敏剂大部分含有Pt，Pd等贵金属或者毒性较大的金属离子（Pb²⁺）且效率较低。此研究中所采用的Zn²⁺: CuInSe₂@ZnS量子点较好地解决了以上问题。作者首先通过Zn²⁺离子掺杂和ZnS壳层包覆的方法有效增强了CuInSe₂量子点的发光性能。随后，作者将Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS作为敏化剂与作为中间体的羧基化的并四苯相结合（TCA）并通过瞬态吸收光谱系统地研究了这二者之间的的能量传递机理。分析表明，CuInSe₂量子点经光激发产生的被缺陷束缚的激子通过三重态能量传递的方式传递给表面吸附的TCA分子，获得具有长寿命的TCA分子三重态。最后，作者进一步引入红荧烯分子实现了808 nm激发下到发射峰值位于580 nm左右可见光的、激发阈值约为2.1W/cm²的上转换发光，效率高达16%。更为重要的是，作者展示了通过CuInSe₂量子点敏化的TTA-UC过程产生的红荧烯的单重态可以直接应用于光催化反应，解决了量子点敏化TTA-UC过程中严重的自吸收问题。

相关研究文章以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”为题发表在Nature Photonics上。

• 【核心创新点】

采用Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点实现了高效率的近红外到可见光的三重态-三重态湮灭上转换发光。

• 【数据概览】

图1. Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点的激发态动力学和能量传递过程。(a) Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点的TEM照片。(b) 原始Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点和吸附TCA分子后的吸收和发射光谱。(c) 原始Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点和吸附TCA分子后的发光衰减曲线。(d) 吸附TCA分子前后Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点的瞬态吸收光谱。(e) TCA分子三重态的瞬态吸收特征。(f) 三重态能量传递示意图 ©2023 Springer Nature

图2. 红外光到可见光上转换发光。(a) 基于Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点的上转换发光系统示意图。(b) 808 nm激发下红外到可见上转换发光的照片。(c) 上转换发光光谱。(d) 基于不同Zn²⁺掺杂浓度下CuInSe₂量子点的上转换发光效率随激发强度的关系。©2023 Springer Nature

图3. 近红外和太阳光驱动光氧化还原反应。(a) 由TTA-UC产生的红荧烯单重态触发的光氧化还原反应示意图。(b) 808 nm激光和室内阳光照射下光氧化还原反应装置。(c, d, e) 基于Zn²⁺:CuInSe₂@ZnS量子点的TTA-UC系统敏化下不同的有机反应。 ©2023 Springer Nature

图4. 近红外和太阳光驱动聚合反应。(a) TMPTA光诱导聚合反应的示意图。(b) 室内阳光诱导的聚合反应照片 ©2023 Springer Nature

表1. 光敏剂和湮灭剂浓度对TTA-UC和光氧化还原反应的影响

• 【成果启示】

综上，采用环境友好的CuInSe₂量子点实现高效率近红外到可见光的三重态湮灭上转换发光为这项技术在光伏、光催化等领域的应用奠定了基础。未来研究重点可分为两种路线，一是将这种溶液中的上转换-有机光催化融合体系应用于真正具有高附加值的有机化学反应；二是将该上转换体系集成到固态薄膜中并保持高效率的上转换发光效率，从而实现固态器件应用。

原文详情：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