张敬来教授团队在《Angew. Chem. Int. Ed.》等期刊发表系列研究进展

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河南省镁合金绿色防腐技术工程研究中心依托河南大学化学与分子科学学院，于2018年获河南省发改委批准成立，2022年获发改委考评“优秀”。2019年引进瑞典皇家理工学院终身教授、中国教育部讲座教授Hans Ågren，并于2020年获批河南省杰出外籍科学家工作室，开展化学、材料科学等多学科交叉研究，近年来在稀土掺杂上转换纳米材料的合成及应用方面取得了一系列研究进展：（1）染料敏化太阳能电池方向的相关成果发表于化学领域顶级期刊《Angew. Chem. Int. Ed.》（中科院一区Top，IF=16.823）；（2）生物成像方向的相关成果发表于能源领域顶级期刊《Nano Energy》（中科院一区Top，IF=19.096）；（3）光催化方向的相关成果发表于化工领域顶级期刊《Chem. Eng. J.》（中科院一区Top，IF=16.744）。

进展一：一种多功能复合光阳极用于染料敏化太阳能电池

        染料敏化太阳能电池(DSSCs)因其成本低、制备简单、光电转换效率较高等优点，成为极具应用前景的新一代光伏设备。目前，DSSCs器件已经实现了高达14.3%的光电转换效率，但是基于N719染料的DSSCs的光电转换效率仅为11.5%左右。鉴于此，本工作设计了一种包含P25纳米颗粒、TiO2空心球(TiO2-HSs)、Au纳米颗粒(AuNPs)和NaYF4:Yb,Er@NaLuF4:Eu@SiO2上转换纳米颗粒(Er@Eu@SiO2 UCNPs)的多功能复合光阳极材料，大幅提升了DSSCs的光电性能。该复合光阳极以P25为透明层，以TiO2-HSs和Er@Eu@SiO2 UCNPs为光散射层，显著拓宽了N719染料的吸光范围。通过简单的等离激元处理，在光散射层薄膜上原位生长AuNPs，进一步增强了N719的光吸收能力。在此，使用紫外光触发AuNPs的表面等离子体共振(SPR)效应，SPR场增强效应不仅加快了光阳极材料的反应进程，还促使UCNPs吸收更多的红外光。此外，AuNPs产生的晶体缺陷也阻止了电子与空穴的重组。研究表明，制备的多功能复合光阳极不仅具有良好的兼容性，还在模拟太阳光下收获了14.13%的光电转换效率，这是目前使用传统N719染料作为敏化剂的DSSCs的最高效率。值得注意的是，经过180 h的稳态测试后，电池的光电转换效率仍然保持95.33%，表现出良好的设备稳定性。这种多功能复合光阳极的独特设计为研究其多组分之间的协同作用机制以及开发具有广泛应用前景的新型光阳极材料提供了一种新的途径。
        该成果以“Boosting the efficiency of dye-sensitized solar cells by a multifunctional composite photoanode to 14.13%”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》期刊上，化学与分子科学学院2020级硕士研究生张思琪为该论文的第一作者，郭续更副教授、王丽教授和张敬来教授为共同通讯作者。河南大学为该论文的第一完成单位和唯一通讯作者单位。该研究得到了国家自然科学基金、河南大学双一流建设经费以及河南省杰出外籍科学家工作室项目的资助。

进展二：用于生物成像的小而“亮”的上转换纳米颗粒

        UCNPs由于诸多独特的光学特性，在生物医学领域受到越来越多的关注，但由于它们的尺寸太大(通常为20 nm)，无法应用于亚细胞成像。如果想应用于亚细胞成像，通常需要UCNPs的尺寸要小于10 nm。随着纳米颗粒尺寸的减小，表面淬灭效应急剧上升，发光亮度呈现指数倍衰减。为了解决纳米颗粒尺寸和发光亮度之间的矛盾，本工作首次提出利用能量捕获离子来抑制光活性离子之间的能量迁移，在不增加纳米粒子尺寸的情况下，就可以有效阻止表面淬灭效应，增强上转换发射强度。加入能量捕获离子Tm3+，合成了UCNPs，NaYF4: 50% Yb, 2% Er, 0.5% Tm。与不加入Tm3+离子相比，上转换发光强度增强了3.2倍。利用该种策略合成了尺寸为5 nm的NaGdF4: 30% Yb, 2% Er, 0.3% Tm纳米粒子，仍然可以保证优异的发光强度，而且使用这种方法制备的上转换纳米颗粒还具有优异的抗水诱导淬灭能力，实现了前所未有的高质量细胞标记和成像。为上转换纳米颗粒在生物领域的应用提供了可行性的方案，为实现更高水平的亚细胞研究铺平了道路。
        该成果以“Transient energy trapping as a size-conserving surface passivation strategy for producing bright ultrasmall upconversion nanoprobes”为题发表在《Nano Energy》期刊上，河南大学为该论文第一署名单位，2020级博士研究生黄富华为第一作者，张敬来教授和王丽教授为通讯作者，河南省杰出外籍科学家工作室Hans Ågren教授和KTH皇家理工学院刘海春博士为论文的共同通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金、河南省杰出外籍科学家工作室项目、河南大学优秀外国专家项目等经费的资助。

进展三：上转换纳米颗粒用于光催化降解有机污染物

         能源短缺和环境污染是当今社会面临的两个主要问题，用光催化法降解有机污染物被认为是同时解决上述两个问题行之有效的方法之一。光催化剂的研究工作一直是广大科研工作者关注的焦点，其核心问题是如何提高光催化的活性。金属有机框架（MOFs）化合物和半导体是最常见的光催化剂，但是它们的吸光范围一般都在紫外区或者有限的可见光区域。为了充分利用太阳光，特别是占整个太阳光谱50%的近红外光，开发上转换纳米颗粒(UCNPs)与MOFs或半导体相结合的光催化剂已经势在必行。针对以上问题，王丽教授和张敬来教授课题组设计合成了一种新型复合光催化剂NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Ce/NH2-MIL-101 (Cr) (Tm@Ce/NMC)，成功控制了核壳结构的尺寸并促进了核壳之间的能量传递。掺杂Ce离子的核壳异质结构不仅有利于提高荧光发射强度，还利于电子-空穴的分离。该光催化剂分别在模拟太阳光、UV+Vis和NIR下对罗丹明（RhB）进行降解，都显示出优异的光催化降解效果。此复合光催化剂的成功研制为设计核壳之间具有有效能量转移的新型光催化剂提供了新的思路。
        该成果以“Development of photocatalyst based on NaYF4:Yb,Tm@NaYF4:Yb,Ce/NH2-MIL-101 (Cr): doping Ce3+ ions to promote the efficient energy transfer between core and shell”为题发表在《Chem. Eng. J.》期刊上，2019级硕士研究生任荷荷为该论文的第一作者，王丽教授和张敬来教授为共同通讯作者，河南大学为该论文第一署名单位和唯一通讯作者单位。该研究得到了国家自然科学基金、河南大学双一流建设经费以及河南省杰出外籍科学家工作室项目的资助。
          论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202302753
          https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S221128552201093X
          https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1385894721036020
          文章来源：河南大学
          张敬来，博士，二级教授，河南省教育厅学术技术带头人，河南大学校特聘教授，博士生导师，物理化学学位点牵头人，镁合金绿色防腐技术工程研究中心主任，发表SCI 收录论文180余篇，主持国家自然科学基金2项，省厅级项目5项，授权国家级发明专利5项。