我國實現低毒性量子點近紅外上轉換與太陽光合成

近日，中國科學院大連化學物理研究所光電材料動力學研究組（1121組）吳凱豐研究員團隊在量子點光化學研究中取得新進展，實現了低毒性量子點敏化的近紅外光至可見光的上轉換，并將該體系與有機光催化融合，實現了高效快速的太陽光合成。

紅外光到可見光的上轉換在能源、醫學、國防等諸多領域具有重要意義。例如，對太陽能電池而言，上轉換能使器件有效利用陽光中大量的低能量紅外光子，顛覆性地提升太陽能轉換效率。在各類上轉換技術中，基于有機分子三線態湮滅的光敏化技術可對非相干、非脈沖光源實現上轉換，具有較強的實用前景。然而，此前報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，相對廉價環保的高效近紅外光敏劑仍然有待開發。

吳凱豐研究團隊一直致力于膠體量子點的超快光物理與光化學研究。在超快光化學領域，團隊深入系統研究了量子點敏化有機分子三線態的動力學機制，并探索了這些新機制在光子上轉換、有機光合成等領域的初步應用。在這些前期基礎之上，團隊開發了CuInSe2基量子點，用于替代劇毒性的鉛基近紅外量子點，實現三線態敏化和近紅外上轉換。

本工作中，團隊首先制備了ZnS包覆的Zn摻雜CuInSe2核殼量子點，有效解決了該類量子點缺陷多和穩定性差的難題。團隊在量子點表面修飾羧基化的并四苯分子作為三線態受體，并采用紅熒烯分子作為湮滅劑，構建了溶液相上轉換體系。時間分辨光譜研究表明，該類量子點的光生電子和空穴都會在皮秒尺度被局域在量子點本身的缺陷位點。該局域化電子—空穴對仍然能夠在納秒尺度傳遞至量子點表面的并四苯分子，高效生成自旋三線態，并進一步傳遞至溶液中的紅熒烯分子，進行三線碰撞湮滅。該體系實現了近紅外至黃光的上轉換，量子效率高達16.7%。

此外，團隊進一步將該上轉換體系與有機光催化融合，將上轉換產生的紅熒烯單線態直接用于“原位”有機氧化、還原、光聚合等反應。該設計巧妙避免了上轉換光子傳播至溶液表面所經歷的量子點重吸收損失。此外，得益于近紅外光子的有效利用和量子點的寬譜吸收特性，該上轉換—有機催化融合體系可在太陽光下高效快速運行。在室內窗臺上（光照強度約32 mW cm-2），幾秒內即可實現丙烯酸酯的光誘導聚合。

該工作不僅實現了低毒性量子點敏化的近紅外至可見高效上轉換，還發展了一種高效快速太陽光合成的新路徑。這一交叉創新型研究成果對光化學和光合成技術的發展具有重要意義。

相關成果以“Near-infrared photon upconversion and solar synthesis using lead-free nanocrystals”為題，于近日發表在《自然—光子學》（Nature Photonics）上。該工作的共同第一作者是我所1121組梁文飛、聶成銘博士、杜駿副研究員。上述工作獲得了中科院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金、我所創新基金等項目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41566-023-01156-6