Научное светило. Найден новый материал для сверхконверсии фотонов солнечного света

Значение солнечной энергии в качестве возобновляемого энергетического ресурса постоянно растет.

Солнечный спектр содержит высокоэнергетический ультрафиолетовый свет с длиной волны короче 400 нм, который может широко использоваться, например, для фотополимеризации с образованием смолы и активации фотокатализаторов для запуска реакций, которые генерируют зеленый водород или полезные углеводороды (топливо, сахара, олефины и т.д.). Этот способ часто называют искусственным фотосинтезом.

Еще одним важным применением считается фотокаталитическая реакция под действием ультрафиолетового света для эффективного уничтожения вирусов и бактерий. К сожалению, только около 4% земного солнечного света попадает в ультрафиолетовый диапазон электромагнитного спектра, в то время как большая часть солнечного света остается незадействованной.

Фотонная сверхконверсия (UC) может стать ключом к решению данной проблемы. Речь идет о процессе преобразования длинноволновых низкоэнергетических фотонов (таких как фотоны видимого света) в коротковолновые высокоэнергетические фотоны (такие как фотоны ультрафиолетового света) путем триплет-триплетной аннигиляциеи (ТТА).

В предыдущих работах в этой области сообщалось о фотоэлектрическом преобразовании видимого света в ультрафиолетовый с использованием растворов органических растворителей, причем раствор сначала был дезоксигенирован, а затем запечатан в герметичный контейнер для предотвращения воздействия кислорода, который деактивирует и разрушает образцы фотонной сверхконверсии на основе ТТА.

Такие материалы не только не обладали фотостабильностью в присутствии кислорода, но и не могли эффективно работать при падающем свете с интенсивностью солнечного излучения. Эти проблемы препятствовали практическому применению фотонной сверхконверсии.

Однако двое ученых из Токийского технологического института — профессор Йоичи Мураками и его аспирант Рику Эномото — нашли решение всех этих проблем: принципиально новая твердая пленка, которая может обеспечивать фотонную сверхконверсию от видимого до ультрафиолетового света при слабом падающем свете, оставаясь фотостабильной в течение беспрецедентно долгого времени на воздухе. Они описали это прорывное изобретение в своей статье, опубликованной в журнале Journal of Materials Chemistry C.

Профессор Мураками объясняет новизну своего исследования.

Наше изобретение позволит на практике использовать видимую часть низкоинтенсивного света, такого как солнечный свет и светодиодный комнатный свет, для решения задач, которые эффективно решаются с помощью ультрафиолетового света.

А его фотостабильность, продемонстрированная, по крайней мере, в течение более чем 100 часов, даже в присутствии воздуха, является самой высокой из когда-либо зарегистрированных для любого материала фотонной сверхконверсии на основе триплет-триплетной аннигиляции, независимо от формы.

Помимо рекордной фотостабильности эти пленки обладали ультранизким порогом возбуждения (всего 0,3-кратная солнечная интенсивность) и высоким квантовым выходом сверхконверсии 4,3% (обычная эффективность излучения сверхконверсии 8,6%), и все это в присутствии воздуха, что делает данный материал единственным в своем роде, поскольку большинство материалов этого класса на воздухе теряют свою способность к фотонной сверхконверсии.

Чтобы приготовить этот материал, исследователи сплавили вместе сенсибилизатор (т.е. молекулярный хромофор, способный поглощать фотоны с большей длиной волны) с гораздо большим количеством аннигилятора (т.е. органической молекулы, которая получала энергию триплетного возбуждения от сенсибилизатора и затем вызывала процесс ТТА). Затем этот двухкомпонентный расплав охлаждался на поверхности с контролируемым градиентом температуры для формирования твердотельной тонкой пленки сверхконверсии фотонов видимого и ультрафиолетового диапазона.

Эта новая технология — градиентное затвердевание при температуре — является высококонтролируемой и воспроизводимой, что означает, что она совместима с реальными промышленными процессами. Профессор Мураками говорит:

Мы считаем, что затвердевание под контролем температуры может стать прочной основой для разработки передовых пленок фотонной сверхконверсии, которые также могут быть получены на твердой подложке без использования органических растворителей, что впервые продемонстрировано в данной работе.

Наконец, чтобы показать фотонную сверхконверсию тонкой пленки в видимом и ультрафиолетовом диапазоне, исследователи применили ее с имитацией солнечного света однократной интенсивности, состоящего только из видимого света, для успешного отверждения и застывания смолы. В противном случае для того же процесса потребовался бы ультрафиолетовый свет.

Данное исследование впервые представило новый класс сверхконверсионных твердых веществ с беспрецедентной фотостабильностью, которые реально могут использоваться для сверхконверсии фотонов видимого света низкой интенсивности в фотоны ультрафиолетового света прямо на воздухе.

Наше исследование не только расширит возможности изучения нового класса материалов, генерирующих УФ-свет, но и поможет существенно улучшить применение обильного слабого видимого света в тех областях, где используется ультрафиолетовый свет, — заключает профессор Мураками.

30.01.2023