发表于 | 光学与光子学

将弱可见光有效转换为紫外线的新系统

一种新的材料系统能够将可见光直接转换为紫外光,其效率是先前数字的两倍,可以提高从氢产生到环境光下空气净化的光驱过程的性能。

将弱可见光有效转换为紫外线的新系统
右侧玻璃管中的分子系统通过三重态-三重态an灭,将典型的LED可见光有效地上转换为紫外线。图片提供:九州大学。

九州大学,研究人员开发了一种系统,该系统可在高强度下实现20%的光上转换效率,即使在弱光下也能保持较高的性能,这使其很容易将人体内已有的可见光捕获,以用于需要高能紫外光的电力应用。

人们通常会尝试避免紫外线对皮肤造成伤害,但是九州大学副教授柳井信弘(Nobuhiro Yanai)’美国化学与生物化学系一直在寻找方法来增加这种高能射线的数量,从而为光催化剂提供动力,这些光催化剂可以进行各种有益的反应,从产生燃料电池车的氢气到净化室内环境。

尽管可以使用专用光源(例如紫外线LED)来驱动这些反应,但它们会消耗能量并增加复杂性. 相反,一种更为优雅的解决方案是收集我们周围已经存在的阳光和室内环境光.

九州大学化学与生物化学系副教授柳井信宏

但是,这种环境光源通常在较低能量的可见光区域中具有很大一部分能量,而在紫外光中只有一小部分。因此,科学家一直在寻找将波长大于400 nm的可见光直接转换为能量更高的紫外光的方法。

为了实现这一目标,由Yanai和Nobuo Kimizuka领导的研究团队一直在关注被称为三重态-三重态an灭的过程。该过程涉及吸收可见光后在分子上形成称为三重态的高能态。

然后,这些“donor”分子将三胞胎捐赠给“acceptor”分子可以将两个三胞胎合并成一个单一的高能态,并作为紫外线释放出来。

迄今为止,通过使用三重态-三重态an灭,从可见光到紫外光的传统上转换的最高效率约为10%,并且只有在比日光强1000倍的可见光下才能实现。

目前,Yanai和他的团队已经在 Angewandte Chemie 国际版 报道称,他们已经打破了这一记录,同时还实现了在阳光以及室内LED发出的微弱可见光下的效率大大提高。

五年多来,我们一直在努力提高这一过程的效率,但我们一直坚持在5%左右。我们终于能够通过 新的分子设计,为我们提供了出色性能的正确分子.

九州大学化学与生物化学系副教授柳井信宏

限制LED性能的两个主要问题是发射紫外线的受体分子消除三重态-三重态的效率很低,以及产生三重态的供体分子抑制产生的紫外线发射。

为了解决这些问题,研究小组开发了一种创新的受体分子,即所谓的TIPS-萘,具有很高的三重态三重态trip灭效率和足够低的三重态能量,可以简单地从称为Ir(C6)的分子中接受三重态。2(acac), an exceptional 捐赠者 that was earlier discovered by the researchers and does 没有t strongly absorb the upconverted UV emission.

TIPS-萘和Ir(C6)的混合物2(acac)成功地在高强度光下实现了20.5%的最高上转换效率。

此外,与传统系统相比,该系统成功地大大减少了所需的激发光强度,因此即使在类似于日光的强度下,也可以实现约10%的上转换效率。

该系统可以将非常低强度的可见光有效地转换为紫外线。令我惊讶的是,即使使用我通常在办公桌上使用的LED,我们也能获得紫外线.

九州大学化学与生物化学系副教授柳井信宏

该团队将这种性能归因于TIPS基团与受体分子的萘中心之间的牢固键合,这有助于抑制内部分子运动,从而导致能量损失,而TIPS基团自己调整分子的三重态能量,同时保持发射态。紫外线区域。

除了找到继续提高效率的方法外,该团队还研究了如何使系统的性能与解决方案一样好,以进一步简化其在一系列轻型流程中的应用。

期刊参考

北原田, 。 (2020)发现关键的TIPS-萘,用于在阳光和室内光线下有效地将可见光转变为紫外光子。 Angewandte Chemie国际版. doi.org/10.1002/anie.202012419.

资源: //www.kyushu-u.ac.jp/en/

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