聚集态高效三重态-三重态湮灭上转换体系的构筑及光物理过程研究

Triplet-triplet annihilation upconversion shows great potential in biomedical research and photoenergy conversion because of its photon upconverting capability under noncoherent light of low power density. It is of great importance for practical applications to develop efficient TTA upconversion systems in aggregation/solid states. In this proposal, novel triplet energy acceptors with aggregation-induced emission will be designed and synthesized, which will be used to construct TTA upconversion systems in aggregation/solid states. The energy transfer, migration, and annihilation process as well as upconversion efficiencies in those TTA upconversion systems will be investigated by means of photophysical spectroscopies. The photophysical mechanism and influencing factors will be discussed. The introduction of aggregation-induced emission acceptors will overcome the excited state quenching issue in aggregation states and improve the energy transfer and conversion efficiencies, providing new strategies and experimental bases for efficient and practical TTA upconversion systems.

三重态-三重态湮灭(TTA)上转换体系能够在低功率密度非相干光的激发下实现光子上转换，在生物医学诊疗和光能转换领域具有广阔应用前景，发展高效的聚集态或固态TTA上转换体系对其应用研究起着至关重要作用。本项目拟结合聚集诱导发光化合物的特性，设计合成具有聚集诱导发光性质的三重态能量受体，构筑聚集态/固态的TTA上转换体系。通过稳态和时间分辨光谱研究TTA上转换体系在聚集态/固态下的能量传递、迁移和湮灭等光物理过程以及上转换发光量子产率；揭示聚集态/固态下TTA上转换的光物理机制和影响因素，利用聚集诱导发光的三重态能量受体克服聚集态TTA上转换体系的激发态自猝灭问题，改善TTA上转换体系在聚集态下的能量传递和转化效率，为发展高效实用的新型TTA上转换体系提供新的途径和实验基础。

三重态-三重态湮灭(TTA)上转换能够在低功率密度非相干光源激发下实现光子上转换，在太阳能光化学转化和生物光化学诊疗领域有重要的应用前景。传统TTA上转换体系依赖于溶液或分子扩散体系，不利于功能化和应用，本项目研究工作围绕聚集态/固态TTA上转换体系的构筑和光物理机制研究，设计合成了多种三重态能量受体，构筑了一系列纳米晶态、微晶态、组装体的TTA上转换体系并研究了这些体系的光物理过程，主要结果包括：设计合成了聚集态强发光的三重态能量受体二苯乙烯基蒽、9,10位由哌啶、吗啉以及硫代吗啉取代的蒽受体，将光敏剂掺杂到的受体分子的纳米晶中构筑得到TTA上转换纳米晶，实现了晶态的TTA上转换，优化得到的上转换量子效率大于1%，通过稳态和瞬态光谱表征了体系中的三重态敏化、受体三重态寿命和迁移等关键光物理过程；在受体二苯基蒽的晶体中掺杂三重态能级低于受体的光敏剂，观察到热活化的三重态敏化过程并在室温下实现固态TTA上转换量子效率5.6%，瞬态吸收、变温时间分辨发光光谱证实了热活化三重态-三重态能量传递驱动的TTA上转换机制，该研究工作打破了构筑TTA上转换体系的常规认识，为发展新型和高效的TTA上转换体系提供了新的设计准则和实验依据；此外，在聚集态TTA上转换体系耦合光催化产氢研究中实现了红光的捕获和催化产氢，在聚集态TTA上转换体系中引入单重态能量受体，减少上转换能量回传给光敏剂，从而提高TTA上转换发光量子产率。通过本项目研究工作开发了多种聚集态/固态TTA上转换体系并揭示了这些体系的关键光物理过程和参数，为开发高效的聚集态/固态TTA上转换体系提供重要理论基础和实验依据。