深圳大学杨楚罗教授团队：多重共振TADF光敏剂实现高效绿光-紫外光子上转换

摘要：深圳大学杨楚罗课题组利用多重共振TADF光敏剂首次实现绿光-紫外三重态-三重态湮灭（TTA）上转换。该上转换体系兼具高上转换量子产率（8.6%）与低阈值强度（9.2 mW cm^-2），在光化学反应中具有潜在应用价值。

三重态-三重态湮灭（TTA）上转换由于能够在弱辐射强度下将低能光子转换为高能光子，在光伏、光催化、生物成像、有机发光二极管、圆偏振发光和光诱导药物释放等领域展现出巨大应用前景。其中，可见-紫外TTA上转换体系对于实现高效光化学转换至关重要。由于传统三重态光敏剂分子自身激发态振动弛豫和系间窜越（ISC）导致较大的能量损失，目前已报道可见-紫外TTA上转换体系激发波长均被限制在紫光或蓝光区域，能量增益较小（图1）。因此，亟需开发兼具高三重态能级和长波长吸收（>500 nm）的新型光敏剂。

 图1. TTA上转换示意图及性能对比

在此背景下，深圳大学材料学院杨楚罗特聘教授团队将多重共振热活化延迟荧光（MR-TADF）分子作为纯有机光敏剂（图2），利用其较小的振动弛豫和ISC能量损失，首次实现了绿光-紫外TTA上转换。通过对光敏剂和受体的三重态能级调控与匹配，最终获得了高达1.05 eV的反斯托克位移，是目前可见-紫外TTA上转换最高值。 

图2. 光敏剂和受体分子

值得注意的是，由于该类MR-TADF光敏剂同时具备高ISC效率、长三重态寿命及大摩尔消光系数，相应上转换体系效率可达8.6%（理论最大值为100%）且阈值强度低至9.5 mW cm^-2，接近太阳光辐射功率密度。除此之外，MR-TADF光敏剂表现出较好的光稳定性，在强光辐射3600s后效率衰减低于10%。

图3. 光化学转换应用

作者以BN-2Cz/1,4-DTNA组合为例，对上转换在光化学合成中的应用进行了研究（图3）。得益于优异的化学稳定性，该体系成功应用于绿光诱导的高效自由基聚合反应。同时，作者还证明了上转换紫外光作为外置光源引发Diels-Alder反应的可行性，在光照600 min后，反应效率高达96%。

综上所述，该研究利用新型MR-TADF光敏剂实现了具有高效率、低阈值强度的绿光-紫外TTA上转换，并成功应用于可见光诱导的有机合成反应。该类光敏剂的发展将推动光子上转换的实际应用。深圳大学博士后魏亚雄为论文第一作者，深圳大学杨楚罗教授、曹啸松助理教授为论文通讯作者，该研究得到了国家自然科学基金委员会及深圳市科技创新委员会的大力支持。该工作以 research article 的形式发表在 CCS Chemistry，全文链接见https://doi.org/10.31635/ccschem.022.202101507。