シャルギール・アフマド
導入:
将来の世代のためにエネルギーを節約するのに役立つ太陽エネルギー変換技術用の新材料を見つけることは非常に重要です。三重項三重項消滅アップコンバージョン(TTA UC)のアイデアを利用するには、スムーズで効率的な三重項エネルギー移動(TEnT)に必要な距離を克服するスマートハイブリッド材料が必要です。しかし、TTA UCプロセスは、高波長を持つ2つの低エネルギー光子(hu1)が吸収され、デクスター型エネルギー移動メカニズムによって低波長を持つ1つの高エネルギー光子(hu2)に変換される最良の波長シフト方法の1つです。以前の実証では、固体液体界面と表面改質を行うことにより、アセトニトリル溶液[5]中の増感剤としてのPtOEP(PtOEP = Pt(II)オクタエチルポルフィン)とアクセプターとしてのZnペリレンSURMOFとの間の三重項エネルギー移動を報告しました。ここでは、SURMOF-SURMOF ヘテロ接合を作成して固体-固体界面を利用するという斬新なアイデアを提案し、TTA UC を研究します。
TTA UC は、太陽エネルギーの現代の需要を高めるために、さまざまな材料を使用して研究されてきました。さらに、最新の表面固定型金属有機構造体 (SURMOF) 材料を、その制御された成長方向、調整可能な細孔サイズ、最高の結晶性により、ガス分離、エレクトロニクス、CO2 削減、水分解、太陽光発電、そして最近では TTA-UC システムで利用するための注目すべき取り組みが行われてきました。さらに、以前の研究では、溶液に溶解した光増感剤のランダムな方向が、光電気化学セルでの三重項エネルギーの伝達を妨げる可能性があることも示されました。
実験戦略:
基板の準備
石英ガラス/FTOガラス(SOLARONIX、スイス)基板を超音波浴槽でアセトン中で約10分間洗浄し、その後、O2下でプラズマで約30分間処理して、-OH(ヒドロキシル基)を持つ表面を生成します。これらの洗浄された基板は、SURMOFの成長に即座に使用されました。
亜鉛ペリレンSURMOFの調製
液相エピタキシー技術は、FTO /石英ガラス基板上にZn-ペリレンSURMOFを作製するために使用されます。濃度1mMの酢酸亜鉛エタノール溶液を調製しました。洗浄したFTOの上に5秒間スプレーしました。30秒待ってから、3,9-ペリレンジカルボン酸エタノール溶液をスプレーしました(濃度:20-40M、スプレー時間:20秒、待ち時間:30秒)。金属リンカーとしての酢酸亜鉛と有機リンカーとしての3,9-ペリレンジカルボン酸のこの交互スプレープロセスにより、結晶性の高い金属有機構造体薄膜の形成がサポートされました。詳細については、文献のどこかを参照してください。
亜鉛ポルフィリンSURMOFの調製とそのヘテロ接合
Zn(II) 金属ポルフィリンの SURMOF は、確立された高スループットの自動スプレー システムを使用して製造されました。簡単に説明すると、エタノール中の 20 mM Zn(II) 金属ポルフィリン濃度 (スプレー時間: 25 秒、待機時間: 35 秒) とエタノール中の 1 mM 酢酸亜鉛濃度 (スプレー時間: 15 秒、待機時間: 35 秒) を、N2 をキャリア ガス (0.2 mbar) として使用して、FTO / 石英ガラス基板上に層ごとに 1 つずつスプレーしました。その間、表面から未反応種を取り除くために、純エタノールを使用してすすぎました (すすぎ時間: 5 秒)。サンプルの厚さは、堆積サイクルの数によって制御されました。さらに、SURMOF-SURMOF ヘテロ接合は、まず 20 サイクルの Zn-ペリレン SURMOF を成長させ、その上にさらに 20 サイクルの Zn (II) メタロポルフィリン SURMOF を追加してヘテロ接合を形成することによって形成されました。さらに、ヘテロ接合の形成は文献に記載されています。
三重項-三重項消滅アップコンバージョン(TTA UC)セットアップ
まず、アセトニトリル溶液に 40 mg/ml の PMMA (ポリメチルメタクリレート) を調製しました。次に、調製した FTO/石英ガラス - Zn-ペリレン SURMOF + Zn-ポルフィリン SURMOF からなる MOF 薄膜材料を、よく混合した PMMA のアセトニトリル溶液に 30 分間浸し、N2 で脱気しました。レーザー光源を使用して、ヘテロ構造を三重項三重項消滅アップコンバージョンについて特性評価しました。
結果と考察
図3に、Zn-ペリレンSURMOF、Zn-ポルフィシンSURMOF、およびZn-ペリレン-Zn-ポルフィリンヘテロ接合の紫外可視(UV-vis)スペクトルの比較分析を示します。Zn-ペリレン単独のSURMOFのUV-visスペクトルは358 nmから470 nm(茶色)の範囲にあり、これはMOF薄膜サンプルの青方偏移を示す遊離ペリレンジカルボン酸[11]の溶液とも比較されています。Zn-ポルフィリンのUV-visは、440nmにソレ帯、530 nmから614 nmの間に2つのQ帯を示しています。 Zn(II)テトラフェニルポフィリン分子は2つのQバンドを示しますが、これは遊離塩基ポルフィリンとは異なり、4つのQバンドを生成します。これは、ポルフィリン分子とZn+2イオンが配位することで前者の分子の対称性が変化するためです。Zn-ペリレンSURMOFとZn-ポルフィリンSURMOFヘテロ構造を組み合わせたUV可視光は、図3(赤)に示されている両方のMOF薄膜のすべてのバンドと重なります。SURMOFヘテロ構造のすべてのバンドが融合することは、緑色光を効率的に吸収し、それを青色光に変換するために非常に重要です。
結論と意義: MOF 薄膜ベースのスマート ハイブリッド材料は、強化されたエネルギー変換三重項三重項消滅アップコンバージョンに使用できます。研究されたハイブリッド材料は、将来のエネルギー変換デバイスに使用できます。その観点は、プロトタイプの色素増感太陽電池デバイスを、高結晶性 MOF 薄膜で製造できるということです。さらに、より長い距離を克服することで光電流を大幅に強化できることが実証されており、最終的にはショックレー - クワイサー限界を克服できる可能性があります。