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


Подписаться в Telegram



Хайтек

Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий

Когда речь заходит о сверхпроводящих куби...

Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов
Nature Communications: Совершен прорыв в создании квантовых материалов

Исследователи из Калифорнийского универси...

PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути
PNAS: Клеточный каркас разобрали на микроскопические пути

Исследователи из Принстона применили спле...

Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ
Детекторы космических лучей для TAIGA- Muon запустят в серию в ТПУ

Ученые из Томского политехнического униве...

Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света
Physical Review Letters: Открыт материал с большим невзаимным поглощением света

В основе глобальной интернет-связи лежит оптич...

Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения
Applied Surface Science: Открыт путь к мемристорам нового поколения

Мемристорные устройства представляют собой кат...

Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников
Frontiers of Optoelectronics: Прогресс в области двумерных полупроводников

Замещающее легирование чужеродными элементами ...

Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло
Angewandte Chemie: Ученые объяснили, почему металлы превращаются в стекло

Если проникнуть глубоко-глубоко под повер...

Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак
Создан катализатор для преобразования нитратного загрязнения в аммиак

Загрязнения, извергаемые бурно развивающейся м...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Транзисторы на основе бальзового дерева усилят позиции зеленой электроники
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Наноразмерное покрытие ускоряет работу катализаторов на основе наночастиц золота
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Scientific Reports: ИИ показал больший творческий потенциал, чем человек
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
Ecology: Японские медведи в поисках пищи разоряют лесопосадки
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
NSMBio: Исследование проливает свет на истоки неврологических заболеваний
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
British Journal of Anaesthesia: Ученые выявили ошибку в работе пульсоксиметров
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
FEARC: Археологи используют фундук для реконструкции древних лесных массивов
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Blood: Создана новая стратегия поиска и уничтожения стволовых клеток лейкемии
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
PNAS Nexus: Хоть горшком назовите, только учитывайте культурные различия
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Nature Comm: Ошибка Пифагора вынуждает пересмотреть принципы создания музыки
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Открыт антивозрастной эффект витамина D и рецептора в средней кишке дрозофилы
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть
Journal of the American Heart Association: Сидячий образ жизни приближает смерть

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса