西弗吉尼亞大學(xué)的研究人員開發(fā)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(xué)反應(yīng)。它具有許多潛在的應(yīng)用，可提高從發(fā)電太陽能電池板到手機等現(xiàn)代技術(shù)的效率。
這項研究于3月16日發(fā)表在《Nature Chemistry》上，由化學(xué)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(xué)基金會職業(yè)獎。
這些技術(shù)目前依靠銥和釕等貴金屬發(fā)揮作用。但目前這些材料的供應(yīng)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(xué)性質(zhì)使其更易于加工、使用和研究，這也是其為什么在該領(lǐng)域占據(jù)領(lǐng)導(dǎo)地位的原因。” Milsmann說，“我們希望改變這種狀況。”
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(xù)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(wěn)定，例如空氣、水和溫度變化的條件中，使其易于在各種環(huán)境中使用。
由于該化合物可以將光轉(zhuǎn)換為電能，因此可以用于創(chuàng)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(shè)備的替代方案，該設(shè)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(chǎn)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(shù)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(fā)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(chǎn)生電能。將來，我們可以設(shè)計產(chǎn)生能量的建筑物，從本質(zhì)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(fā)電廠。”
另一方面，該化合物還可以用于有機發(fā)光二極管，該有機發(fā)光二極管將電能轉(zhuǎn)換為光，也就是太陽能電池板的相反功能。該特性使復(fù)合物成為生產(chǎn)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(fā)光二極管的優(yōu)勢在于其大部分能量都轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為光。”
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(yī)學(xué)應(yīng)用，例如癌癥患者的光動力療法。
Milsmann說：“該化合物可以產(chǎn)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(yīng)僅在暴露于光輻射期間發(fā)生，因此可以嚴格控制其位置和持續(xù)時間。如果可以將光聚焦在特定點上，則可以產(chǎn)生活性氧，僅對光產(chǎn)生反應(yīng)，從而使其安全。與通過外科手術(shù)和化學(xué)療法相比，這種方法具有更小的侵入性清除腫瘤的潛力。”
論文標題為《Delayed fluorescence from a zirconium(iv) photosensitizer with ligand-to-metal charge-transfer excited states》。