将可见光光子上转换为紫外光子的固体材料可以改变我们利用阳光的方式

太阳能作为可再生能源的重要性正在增加。太阳光含有波长短于400nm的高能紫外光，可以广泛用于例如光聚合形成树脂和活化光催化剂以驱动产生绿色氢或有用碳氢化合物(燃料，糖，烯烃等)的反应。后者通常被称为“人工光合作用”。通过紫外光进行光催化反应以有效病毒和细菌是另一个重要的应用。不幸的是，只有大约4%的地面阳光落在电磁光谱的紫外线范围内。这使得大部分太阳光光谱未被开发用于这些目的。

光子上转换(UC)可能是解决这个问题的关键。它是通过称为“三重-三重湮灭”(TTA)的过程将长波长，低能量光子(例如存在于可见光中的光子)转换为短波长，高能光子(例如存在于紫外线中的光子)的过程。该领域的先前工作已经报道了使用有机溶剂溶液的可见光到紫外UC，该溶液需要首先脱氧，然后密封在密封容器中，以防止暴露于使基于TTA的光子UC样品失活和降解的氧气。这些材料不仅在氧气存在下缺乏光稳定性，而且在太阳光强度入射光下也未能有效发挥作用。这些问题给光子UC的实际应用带来了障碍。

现在，东京工业大学的两位科学家——村上洋一教授和他的研究生陆远本(Riku Enomoto)——已经提出了解决这些问题的方法——一种革命性的固体薄膜，可以对弱入射光进行可见光到紫外光子UC，同时在空气中保持前所未有的光稳定性。他们在发表在《材料化学杂志C》上的论文中描述了这一突破性发明。

村上教授解释了他们研究的新颖性：“我们的发明将能够实际利用低强度光的可见部分，如阳光和LED室内灯，用于有效利用紫外线的应用。它的光稳定性 - 即使在空气存在的情况下也至少超过100小时 - 是任何基于TTA的光子UC材料中报告的最高水平，无论材料形式如何，只要我们可以调查。

除了这种创纪录的光稳定性外，这些薄膜还具有超低的激发阈值(仅为太阳强度的0.3倍)和4.3%的高UC量子产率(标准化UC发射效率为8.6%)--两者都在空气存在的情况下-使这种材料成为一种，因为此类的大多数材料在暴露于空气中时会失去光子UC能力。

为了制备这种材料，研究人员将敏化剂(即可以吸收较长波长光子的分子发色团)与大量湮灭剂(即从敏化剂接收三重态激发能量然后引起TTA过程的有机分子)熔化在一起;敏化剂和歼灭剂的组合由研究人员选择。然后将这种双组分熔体在温度梯度控制的表面上冷却，以形成固态可见紫外光子UC薄膜。

这种新技术 - 温度梯度固化 - 是高度可控和可重复的，这意味着它与现实的工业过程兼容。村上教授告诉我们：“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，也可以在不使用有机溶剂的固体基板上，正如这项工作首次证明的那样。

最后，为了证明薄膜的可见光到紫外光子UC，研究人员将其与仅由可见光组成的1太阳强度模拟太阳光一起使用，以成功固化和固化树脂，否则该树脂需要紫外线进行相同的过程。

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，可以实际用于在空气存在下将低强度可见光光子向上转换为紫外光子。

“我们的研究不仅将扩大对一类新型紫外光产生材料的探索，而且还将有助于大大拓宽丰富的弱可见光在紫外光驱动的应用中的效用，”村上教授总结道。

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