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新型铁分子登上 Science,太阳能成本还可以更低

2018-12-15
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人们早已发明了用金属进行发电的技术,但由于此类金属多为锇、铱等昂贵的稀有金属,这个技术并未得到大规模的应用。但瑞典隆德大学 (Lund University) 与乌普萨拉大学(Uppsala University)研究团队的一项最新成果,有望改变这种情况。


他们首次合成了一种新的铁配合物——[Fe(phtmeimb)2]+。这种铁分子能够表现出强烈可见的室温光致发光,其寿命为 2.0 纳秒,量子产率为 2%。


铁配合物是一种地球中丰富存在并且环境友好的物质,它已经被广泛用作贵金属系统的替代物。但一直以来,它们的激发态仍然被在皮秒或亚皮秒状态下即失去活性限制为低能金属中心态。


而在这次的研究中,科学家发现通过两个单阴离子的 Fe(III)的八面体配位可以显着抑制低位金属的失活。研究人员表示,新型铁分子可用于生产太阳能燃料的新型光催化剂,取代目前使用的更昂贵,更稀有的金属。此外,这一发现也开辟了铁分子的其他潜在应用领域,例如作为发光二极管(LED)中的材料。


新型铁配合物 [Fe(phtmeimb)2]+中,phtmeimb 是 [苯 (3-甲基咪唑-1-亚甲基) 硼酸],它具有强烈可见的室温光致发光特性,其寿命为 2.0 纳秒,其中 2%的量子经由自旋允许的转换,从配体 - 金属电荷转移(2LMCT)状态转变为基态。


科学家在甲基紫精和二苯胺进行的双分子猝灭研究中,观察到 [Fe(phtmeimb)2]+的配体中金属电荷转移态的还原和氧化电子转移反应。


图丨新的铁分子(来源:Nils Rosemann)


团队发现,强电子给予的 N-杂环卡宾 (NHC) 配体能提高与铁配合物电荷转移有关的金属中心态的能量,从而增加了电荷转移激发态的寿命。


对于含有四个 N-杂环卡宾基和两个吡啶基的 Fe(II) 复合物,最近已经证明了三重金属电子和电荷转移状态寿命为几十个皮秒,从而超过了从表面结合的铁光敏剂到二氧化钛电极的有效面间电子注入的阈值。结果表明 Fe(II) 和 Fe(III) 复合物在进一步改进 3d6 和 3d5 复合物的光活性和发光性是有前景的。


图 | [Fe(phtmeimb)2] PF6 的合成和结构(来源:Science)


温度相关的发射寿命测量表明,当温度降低到 100 K 时,[Fe(phtmeimb)2]+的激发态寿命增加了四倍(从 2.0 纳秒到 7.8 纳秒),与 [Fe(btz)3]3+的行为几乎完全一致。


2%的光致发光量子产额提高了将 Fe-NHC 系统应用于生物传感器和有机发光二极管的前景。这些应用将受益于铁配合物的固有低毒性,以及配体中金属电荷转移激发态对氧的不敏感性。此外,由于 Fe(III)发光复合物的基态和配体中金属电荷转移激发态都是双重态,因此它们不会遭受典型稀土发光复合物普遍会形成单线态/三线态问题的影响。


图 | [Fe(phtmeimb)2]+在室温下干燥乙腈中的电化学和光谱图(来源:Science)


“良好的结果取决于我们优化了铁原子周围分子结构的事实,”隆德大学的 Petter Persson 解释道。


而另研究人员感到惊讶的是,取得这样良好效果所用的时间远比他们预想的快:短短五年多的时间。“我们曾以为至少需要十年时间,”KennethWärnmark 说。


-End-


参考:

Kjær, K. S., Kaul, N., Prakash, O., Chábera, P., Rosemann, N. W., Honarfar, A., ... & Ericsson, T. (2018). Luminescence and reactivity of a charge-transfer excited iron complex with nanosecond lifetime. Science, eaau7160.

https://phys.org/news/2018-11-brilliant-iron-molecule-cheaper-solar.html#jCp


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