Shargeel Ahmad
Einführung:
Es ist sehr wichtig, neue Materialien für Technologien zur Umwandlung von Solarenergie zu finden, die uns helfen, Energie für zukünftige Generationen zu sparen. Die Nutzung der Idee der Triplett-Triplett-Annihilation-Upconversion (TTA UC) erfordert ein intelligentes Hybridmaterial, das die erforderliche Distanz für einen sanften und effizienten Triplett-Energietransfer (TEnT) überwindet. Der TTA-UC-Prozess ist jedoch eine der besten Methoden zur Wellenlängenverschiebung, bei der die beiden niederenergetischen Photonen (hu1) mit hoher Wellenlänge absorbiert und über einen Energietransfermechanismus vom Dexter-Typ in ein hochenergetische Photon (hu2) mit niedriger Wellenlänge umgewandelt werden. In unserer vorherigen Demonstration haben wir über den Triplett-Energietransfer zwischen PtOEP (PtOEP = Pt(II)-Octaethylporphin) als Sensibilisator und Zn-Perylen-SURMOF als Akzeptor in einer Acetonitrillösung[5] durch Herstellung einer Fest-Flüssig-Grenzfläche und Oberflächenmodifikationen berichtet. Hier werden wir eine neuartige Idee zur Nutzung einer Fest-Fest-Grenzfläche durch Herstellung einer SURMOF-SURMOF-Heteroverbindung zur Untersuchung von TTA UC umsetzen.
TTA UC wurde unter Verwendung verschiedener Materialien untersucht, um den aktuellen Anforderungen an Solarenergie gerecht zu werden. Darüber hinaus wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um die modernen oberflächenverankerten Metall-Organischen-Gerüste (SURMOFs) in der Gastrennung, Elektronik, CO2-Reduktion, Wasserspaltung, Photovoltaik und zuletzt im TTA-UC-System aufgrund seiner kontrollierten Wachstumsorientierung, einstellbaren Porengröße und höchsten Kristallinität einzusetzen. Darüber hinaus zeigten frühere Studien, dass die zufällige Orientierung des in der Lösung gelösten Photosensibilisators auch die Übertragung von Triplett-Energie in der photoelektrochemischen Zelle behindern könnte.
Experimentelle Strategien:
Vorbereitung der Untergründe
Die Substrate aus Quarzglas/FTO-Glas (SOLARONIX, Schweiz) wurden etwa zehn Minuten lang in einem Ultraschallbad in Aceton gereinigt und anschließend knapp dreißig Minuten lang mit Plasma unter O2 behandelt, um eine Oberfläche mit -OH (Hydroxylgruppen) zu erzeugen. Diese gereinigten Substrate wurden sofort zum Züchten von SURMOF verwendet.
Herstellung von Zn-Perylen-SURMOF
Liquid phase epitaxy technique is used for the preparation of the Zn-Perylene SURMOFs on top of FTO /Quartz Glass substrates. We prepared a concentration zinc acetate ethanolic solution (1 mM). On top of cleaned FTO we sprayed it for 5s. After 30s wait, 3,9 perylene dicarboxylic acid ethanolic solution was sprayed ( concentration:20-40M; spray time: 20 s, waiting time: 30 s). This alternate spray process of Zn-acetate as metal linker and 3,9 perylene dicarboxylic acid as organic linker supported the formation of highly crystalline metal organic framework thin film and more detail can be found somewhere in the literature.
Preparation of Zn-porphyrin SURMOF and Its Heterojunction
SURMOF of Zn (II) metalloporphyrin were fabricated using well established highly throughput automated spray system Briefly, a concentration of 20 mM Zn(II)metalloporphyrins in ethanol (spray time: 25s, waiting time: 35s) and a concentration of 1 mM zinc acetate in ethanol (spray time: 15 s, waiting time: 35 s) were one by one sprayed onto the FTO / Quartz Glass substrates in a layer-by-layer fashion using N2 as a carrier gas (0.2 mbar). In between, pure ethanol was used for rinsing to get rid of the unreacted species from the surface (rinsing time: 5 s). The thickness of the sample was controlled by the number of deposition cycles. Moreover, the SURMOF-SURMOF heterojunction was formed by firstly growing the 20 cycles of Zn-perylene SURMOF and on top of it 20 more cycles of Zn (II) metalloporphyrin SURMOF was added to make heterojunctions. Moreover, the formation of heterojunction which is described in the literature.
Triplet-triplet annihilation upconversion (TTA UC) setup
First of all, 40 mg/ml PMMA (poly methyl (methacrylate) was prepared in the acetonitrile solution. Then as prepared MOF thin film material consisting of FTO/Quartz Glass-Zn-perylene SURMOF+Zn-porphyrin SURMOF were immersed into the well mixed acetonitrile solution of PMMA which was degassed with N2 for half an hour. The heterostructure was characterized for triplet triplet annihilation upconversion using laser light source.
Results and Discussions
Eine vergleichende Analyse des ultraviolett-sichtbaren (UV-vis) Spektrums von Zn-Perylen-SURMOF, Zn-Porphysin-SURMOF und Zn-Perylen-Zn-Porphyrin-Heteroübergang ist in Abbildung 3 dargestellt. Das UV-vis Spektrum von Zn-Perylen-SURMOF allein reicht von 358 nm bis 470 nm (in Braun) und wird auch mit der Lösung freier Perylendicarbonsäuren[11] verglichen, was eine Blauverschiebung in der MOF-Dünnschichtprobe anzeigt. Das UV-vis von Zn-Porphyrin zeigt ein Sorret-Band bei 440 nm und zwei Q-Bänder zwischen 530 nm und 614 nm. Das Zn(II)-Tetraphenylpophyrin-Molekül weist zwei Q-Bänder auf, die sich von denen des freien Porphyrins unterscheiden und vier Q-Bänder erzeugen, da die Koordination von Zink+2-Ionen mit dem Porphyrinmolekül die Symmetrie des ersteren Moleküls verändert. Das kombinierte UV-visuelle Licht der Zn-Perylen-SURMOF- und Zn-Porphyrin-SURMOF-Heterostruktur überlappt sich mit allen Bändern der beiden MOF-Dünnfilme, die in Abbildung 3 (rot) gezeigt werden. Das Zusammenführen aller Bänder in der SURMOF-Heterostruktur ist sehr wichtig für die effiziente Absorption von grünem Licht und seine Umwandlung in blaues Licht.
Schlussfolgerung und Bedeutung: Die auf MOF-Dünnschichten basierenden intelligenten und hybriden Materialien können für eine verbesserte Energieumwandlung durch Triplett-Triplett-Annihilation und Aufwärtskonvertierung verwendet werden. Das untersuchte Hybridmaterial kann für zukünftige Energieumwandlungsgeräte verwendet werden. Der Standpunkt ist, dass ein Prototyp eines farbstoffsensibilisierten Solarzellengeräts mit hochkristallinen MOF-Dünnschichten hergestellt werden kann. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Fotostrom durch Überwinden der längeren Distanz erheblich verbessert werden kann, wodurch letztendlich die Shockley-Queisser-Grenze überwunden werden kann.