高能光化学的可持续发展之路

诸平

Conversion of readily available blue light into high-energy UV photons that cannot be provided by sunlight

据德国约翰内斯·古腾堡-美因茨大学（Johannes Gutenberg University Mainz）2022 年 12 月 1 日报道，美因茨大学和日本九州大学（Kyushu University）的研究人员制定了一种产生高能紫外线的新策略，将现成的蓝光转化为太阳光无法提供的高能紫外线光子。相关研究结果于2022年11月18日已经在德国《应用化学国际版》（Angewandte Chemie International Edition）杂志网站发表——Till J. B. Zähringer, Julian A. Moghtader, Maria-Sophie Bertrams, Bibhisan Roy, Masanori Uji, Nobuhiro Yanai, Christoph Kerzig. Blue-to-UVB Upconversion, Solvent Sensitization and Challenging Bond Activation Enabled by a Benzene-Based Annihilator. Angewandte Chemie International Edition, First published: 18 November 2022. DOI: 10.1002/anie.202215340. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202215340

许多光化学过程依赖于来自低效或有毒光源的紫外线，由于技术原因，LED技术无法替代这些光源。由德国约翰内斯·古腾堡-美因茨大学 (JGU) 的克里斯托夫·克齐格（Christoph Kerzig）教授和日本九州大学的楊井伸浩（Nobuhiro Yanai）教授领导的国际科学家团队现已开发出第一个将蓝光转化为高能紫外线光子（λ<315 nm）的分子系统。这些处于所谓 UVB 范围内的光子对于光能转换、消毒甚至废水处理应用中的众多光化学过程至关重要。然而，阳光不能提供 UVB 光子，它们的人工产生通常依赖于汞灯或其他效率极低的替代品。新发现表明，无金属光子上转换 (upconversion简称UC) 系统可以将现成的可见光转化为 UVB 光子。因此，这一突破可以被视为一种更环保的方法。最初的无汞应用已经在实验室中得到验证。

具有悠久传统的合作研究(Collaborative research with a long tradition)

几年前，两个研究小组都开始研究上转换（UC）。UC是一个过程，其中两个较低能量的光子的吸收导致一个较高能量的光子的发射。开发这项技术是为了提高太阳能电池的效率，主要是通过转换红外区域的低能光子。“相比之下，当使用蓝光作为能源时，高能紫外光子是触手可及的，”美因茨大学化学系的克里斯托夫·克齐格教授解释说。特制分子已在美因茨制备，并使用最近安装在克里斯托夫·克齐格研究小组的新型大型激光设备进行表征。此外，楊井伸浩教授实验室的特殊光谱技术已应用于UC系统，以详细了解其性能。

虽然目前的论文代表了克里斯托夫·克齐格和楊井伸浩小组之间的首次合作，但两所大学的化学系都有完善的学生交流计划。这种新颖的合作将进一步加强美因茨大学和九州大学之间的联系。

开发可重复使用的上转换材料(Development of reusable upconversion materials)

科学家们使用商用蓝色 LED 作为光源，并利用产生的紫外线来裂解强化学键，否则需要非常苛刻的反应条件。此外，博士候选人蒂尔·策林格（Till Zähringer）使用美因茨的激光装置设法观察到复杂能量转换机制中的所有中间体。“我们的下一个目标是为多种应用开发可重复使用的材料，”楊井伸浩教授说。他在九州大学的团队以开发光敏材料而闻名。材料科学、光化学和光催化在九州大学-美因茨大学合作框架内的结合将为实现这一模糊目标铺平道路。

这些合作研究活动的结果已发表在德国《应用化学国际版》杂志，由于科学评论家的出色评价，被列为非常重要的论文 (Very Important Paper简称VIP)。德国研究基金会 (German Research Foundation/Deutsche Forschungsgemeinschaft简称DFG)通过两项价值近 50万欧元的个人研究资助为这项研究提供资金。此外，化学工业基金（Chemical Industry Funds）和德国联邦环境基金会（German Federal Environment Foundation）通过向克里斯托夫·克齐格和蒂尔·策林格提供奖学金支持该项目。另外，本研究还得到了日本科学促进会（Japan Society for the Promotion of Science）科学研究资助基金（Grants-in-Aid for Scientific Research）的部分支持。

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Abstract

Several energy-demanding photoreactions require harsh UV light from inefficient light sources. The conversion of low-energy visible light to high-energy singlet states via triplet-triplet annihilation upconversion (TTA-UC) could offer a solution for driving such reactions under mild conditions. We present the first annihilator with an emission maximum in the UVB region that, combined with an organic sensitizer, is suitable for blue-to-UV upconversion. The annihilator singlet was successfully employed as an energy donor in subsequent FRET activations of aliphatic carbonyls. This hitherto unreported UC-FRET reaction sequence was directly monitored using laser spectroscopy and applied to mechanistic irradiation experiments demonstrating the feasibility of Norrish chemistry. Our results provide clear evidence for a novel blue light-driven substrate or solvent activation strategy, which is important in the context of developing more sustainable light-to-chemical energy conversion systems.