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      新聞

      2020年4月14日

      新材料照亮可再生能源的未來

      西弗吉尼亞大學的研究人員開發了一種新的化合物,為可再生能源鋪平了道路。

      該化合物是光敏劑,這意味著它在光的存在下會促進化學反應。它具有許多潛在的應用,可提高從發電太陽能電池板到手機等現代技術的效率。

      這項研究于3月16日發表在《Nature Chemistry》上,由化學助理教授卡斯滕·米爾斯曼(Carsten Milsmann)實驗室的研究人員進行,并獲得了美國國家科學基金會職業獎。

      這些技術目前依靠銥和釕等貴金屬發揮作用。但目前這些材料的供應仍然有限,這使得它們不可再生,難以獲取且價格昂貴。

      “我們注意到,研究鈦和鋯等較豐富金屬的工作很少,因為它們通常不易加工。貴金屬一直是首選元素,因為它們良好的化學性質使其更易于加工、使用和研究,這也是其為什么在該領域占據領導地位的原因?!?Milsmann說,“我們希望改變這種狀況?!?/span>

      米爾斯曼的化合物由鋯制成,鋯的含量更為豐富且易于獲取,因此是一種更具可持續性和成本效益的選擇。該化合物還可以在多種條件下保持穩定,例如空氣、水和溫度變化的條件中,使其易于在各種環境中使用。

      由于該化合物可以將光轉換為電能,因此可以用于創建更高效的太陽能電池板。

      太陽能電池板通常由硅制成,并且需要最小的光閾值才能收集和存儲能量。長期以來,研究人員一直在探索染料敏化設備的替代方案,該設備使用有色分子在弱光條件下收集光并起作用,而不是使用硅。另外一個好處是,這還可以生產半透明的組件。迄今為止,必要的染料在很大程度上依賴于貴重的釕材料,但Milsmann的新化合物將來有可能取代它。

      Milsmann說:“ 大多數太陽能電池板的問題在于,陰天時不能很好地工作。它們效率高,價格便宜,使用壽命長,但它們需要強光條件才能有效發揮作用。解決這一問題的一種方法是制作染料敏化版,其中有色化合物吸收光以在任何天氣條件下產生電能。將來,我們可以設計產生能量的建筑物,從本質上講,可以使建筑物的外立面,包括其所有外墻和窗戶,變成一個發電廠?!?/span>

      另一方面,該化合物還可以用于有機發光二極管,該有機發光二極管將電能轉換為光,也就是太陽能電池板的相反功能。該特性使復合物成為生產更高效手機屏幕的潛在光源。

      Milsmann說:“許多手機顯示器都含有銥,這是另一種貴金屬化合物,其作用與我們的化合物完全相同。擁有發光二極管的優勢在于其大部分能量都轉化為光。過去,光源效率低下,因為它們僅將接收到的能量中的一小部分轉化為光?!?/span>

      研究小組的下一步是使該化合物水溶性,因此可以潛在地用于生物醫學應用,例如癌癥患者的光動力療法。

      Milsmann說:“該化合物可以產生能引起細胞死亡的活性氧。聽起來確實很危險,但是由于該反應僅在暴露于光輻射期間發生,因此可以嚴格控制其位置和持續時間。如果可以將光聚焦在特定點上,則可以產生活性氧,僅對光產生反應,從而使其安全。與通過外科手術和化學療法相比,這種方法具有更小的侵入性清除腫瘤的潛力?!?/span>

      論文標題為《Delayed fluorescence from a zirconium(iv) photosensitizer with ligand-to-metal charge-transfer excited states》。

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