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具有里程碑意义的固体材料可以改变我们利用阳光的方式

文章来源：更新时间：2023-03-22 15:27:36

作为一种可再生能源，太阳能正变得越来越重要。在太阳光中发现的波长短于400纳米的高能紫外线可以以多种方式加以利用，如光聚合和激活光催化剂，通过一个被称为"人工光合作用"的过程生产绿色氢气或有用的碳氢化合物。

低强度的可见蓝光或较低能量的光子被转换为较高能量的紫外线光子，使用的是在圆形玻璃基底上形成的固体薄膜。

紫外线通过光催化反应有效杀死病毒和细菌的能力是另一个重要的应用。然而，只有一小部分太阳光属于紫外线范围，使得大部分光谱无法用于这一目的。

光子上转换（UC）可能是解决这一问题的关键。它是将长波长、低能量的光子（如存在于可见光中的光子）通过一个被称为"三倍体-三倍体湮灭"（TTA）的过程转换为短波长、高能量的光子（如存在于紫外光中的光子）。

该领域以前的工作报告了使用有机溶剂溶液的可见光到紫外线的UC，这些溶液需要首先脱氧，然后密封在一个密闭的容器中，以防止暴露在氧气中，而氧气会使基于TTA的光子UC样品失活和退化。这些材料不仅在氧气存在的情况下缺乏光稳定性，而且在阳光强度的入射光下也不能有效地发挥作用。这些问题给光子UC的实际应用带来了障碍。

现在，东京理工大学的两位科学家--村上洋一教授和他的研究生榎本力已经想出了解决这些问题的办法--一种革命性的固体薄膜，可以对微弱的入射光进行可见光到紫外线的光子UC，同时在空气中保持前所未有的光稳定性。他们在发表于《材料化学杂志C》的论文中描述了这一突破性发明。

村上洋一教授解释了他们研究的新颖性。"我们的发明将使低强度光的可见部分，如太阳光和LED室内光，能够被实际利用，用于有效利用紫外线的应用。而且它的光稳定性--经证明至少超过100小时，即使在空气存在的情况下--是任何基于TTA的光子UC材料有史以来最高的报告，无论材料形式如何。"

除了这一创纪录的光稳定性，这些薄膜还具有超低的激发阈值（只有0.3倍的太阳强度）和4.3%的高UC量子产率（归一化UC发射效率为8.6%）--两者都在空气中存在，这使得这种材料成为独一无二存在，因为大多数这类材料在暴露于空气中时都会失去其光子UC能力。

为了制备这种材料，研究人员将增感剂（即能够吸收较长波长光子的分子发色团）与大量的湮灭剂（即从增感剂中接收三重激发能量，然后引起TTA过程的有机分子）融为一体；增感剂和湮灭剂的组合由研究人员选定。然后，这种双组分熔体在一个温度梯度控制的表面上被冷却，形成一个固态的可见光至紫外光子UC薄膜。

这种新颖的温度梯度凝固技术具有高度的可控性和可重复性，这意味着它与现实的工业流程是兼容的。村上教授表示："我们相信，温控凝固可以为开发先进的光子UC薄膜提供坚实的基础，这也是在不使用有机溶剂的情况下在固体基底上进行的，这项工作首次证明了这一点。"

最后，为了证明该薄膜的可见光-紫外线光子UC，研究人员用仅由可见光组成的1个太阳强度的模拟太阳光成功地固化了一种树脂，否则需要用紫外线来完成同样的过程。

这项研究首次提出了一类具有前所未有的光稳定性的新型UC固体，可以现实地用于在空气存在下将低强度可见光光子上转换为紫外线光子。"村上教授总结说："我们的研究不仅将扩大对一类新的紫外光生成材料的探索，而且还将有助于大幅拓宽丰富的微弱可见光的效用，使其走向由紫外光驱动的应用。

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