科學家通過紅外光上轉換實現高效的太陽光合成

基于太陽光開展能源轉化和工業生產，是解決全球能源危機、助力我國實現“雙碳”目標的重要路徑之一。太陽光中蘊含著大量的紅外光子，這些光子不為人眼所見，且能量較低，通常難以有效轉化和利用。膠體量子點是一類溶液法生產的理想捕光材料，它們的吸光范圍很容易被拓展至紅外波段。同時，吸光后的激發態量子點能夠參與豐富的光化學轉化過程，生產太陽燃料或者精細化學品，是國際上的重要科學前沿。

近日，中國科學院大連化學物理研究所（以下簡稱“大連化物所”）研究員吳凱豐團隊在量子點光化學研究中取得重要進展。團隊率先實現了低毒性量子點敏化的近紅外至可見上轉換，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，有望對光合成技術產生深遠影響。相關成果發表在《自然-光子學》上，共同第一作者是大連化物所博士梁文飛、聶成銘和副研究員杜駿。

利用低毒性量子點開展近紅外光子上轉換和有機催化合成

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。比如對太陽能電池而言，上轉換能使器件可以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有待開發。

前期工作中，團隊深入系統地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。此次研究中，團隊聚焦于CuInSe₂基近紅外量子點，該類量子點相對綠色環保，可用于替代劇毒性的鉛基近紅外量子點。

團隊制備了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。隨后，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。該體系成功實現了近紅外至黃光的上轉換，量子效率高達16.7%。

進一步地，團隊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，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。

“一個世紀以來，在陽光下進行有機合成是許多科學家的想法，但前期的探索主要局限于利用太陽光中的可見光子。”吳凱豐說，“這項研究將太陽能合成的范圍擴大到了陽光中豐富的可見光和近紅外光子，將有力地推動光合成技術的發展。”

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。

相關論文信息： https://doi.org/10.1038/s41566-023-01156-6