Photon
upconversion
集锦
①
（把可见光紫外化
）
在半导体光催化全分解水领域，能够利用紫外光的光催化剂大概有几百种以上【1】，然而可以利用可见光全分解水的光催化剂屈指可数。总之，对于高量子效率的半导体光催化剂而言，对于可见光利用和转换效率并不高（图1，上）。
高效全分解水光催化剂的开发，正不断更新着光催化剂的量子效率【2】和响应波长的记录【3】。另外一方面，有没有一种材料可以把太阳光中的可见光（低能量）转换为紫外光（高能量）呢？（图1，下），毕竟紫外光(365nm)的量子效率已经接近100%，如果有高效的可见光转紫外光的材料，可以提高光催化剂的太阳能转化率。
在上一期中，我们介绍了一种材料可以吸收激光和周围环境中的热量，实现长波短波化的同时，还能冷却。
未来的几期中，我们将会带来转化效率更高的
TTA-UC能量转换体系的研究成果集锦。
图1.大都数的全分解水光催化剂很难利用长波长光（上），有没有一种材料能够把长波长光转化为短波长？（下）
图2. 紫外光仅占太阳光的5%左右！！
三重项-三重项淬灭（TTA）实现长波到短波的转换！
新的概念和缩写比较多，可能比较难理解，通俗的讲就是电子的二阶段跃起（笔者也是反复阅读才理解了其中的含义。）
图3. 长波到短波转换原理图（
TTA-UC）
三重项-三重项淬灭 （Triplet-Triplet
annihilation, TTA）：
它是指两个激发的三重态 (T1) 分子相互碰撞以将一种能量转移到另一种的过程，从而产生能量更高的激发态。这里，当两个T1分子的能量大于一个分子的激发单重态(S1)的能量时(2xET1>ES1)，就会通过TTA过程形成S1跃迁，实现二重跳跃。（
可以理解为电子的两阶段跃起，图3中⑤阶段）。
通过将引起 TTA的发光色素（Acceptor）和有效产生 T1 的光敏化剂（Donor）结合来引起光子上转换的方法称为
TTA-UC
（UC是
Photon upconversion
的缩写
）。在一般的 TTA-UC中，Donor分子首先吸收光（图3中①阶段），然后经历系统间交叉 (图3，②③④，电子从高能到低能的跃迁) 以产生 T1。
从Donor到Acceptor的三重态能量转移 (TET)然后为受体产生 T1(图3，④)。两个受体 T1 分子扩散并碰撞产生 TTA(图3，⑤)，导致受体 S1 的能量高于供体 S1 ，并实现UC发光。
2020
年
TTA-UC
方式的光能量转化率被大幅更新！（新闻稿）
Discovery of Key TIPS-Naphthalene for Efficient Visible-to-UV Photon Upconversion under Sunlight and Room Light
**
Naoyuki Harada
,
Yoichi Sasaki
,
Dr. Masanori Hosoyamada
,
Prof. Nobuo Kimizuka
,
Prof. Nobuhiro Yanai
First published:
15 October 2020
2020年，日本九州大学的楊井教授团队成功开了一种新的分子材料，该材料可以将可见光转换为紫外线，效率是以前的两倍，达到 20.5%。波长为 400 nm 或更短的紫外线激发光催化剂，可以高效的分解水产氢气，它是燃料电池汽车的燃料。另外一方面，二氧化钛等光催化剂可在紫外线条件下除臭和抗菌。阳光和室内几乎不含紫外线，必须人工产生，但使用紫外线 LED 等会消耗额外的能量。另外，通过使用三重态-三重态湮没 (TTA) 和的光子上转换 (UC)，将阳光和室内光中丰富的 400 nm 或更大波长的可见光转换为紫外光。转换后，它有望在不使用额外能量的情况下产生有用的紫外线。
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视频. 红外光转短波长光的视频（视频和本文无关，楊井教授别的论文视频）
在这项研究中，实现了 20.5% 的效率，这是从可见光到紫外光的转换效率 10.2% 的常规记录的重大更新。此外，传统系统需要比太阳光强 1000 倍的可见光，但该系统可以将太阳光和室内 LED 等微弱可见光转换为紫外线。通过开发具有高 TTA 和荧光效率以及低三重态能级以实现高效敏化的新型发光分子，使之成为可能。未来，通过在室外和室内与光催化剂相结合，有望为解决能源和环境问题做出贡献。
图4. 太阳光模拟器照射下光谱变化（上），以及在室内LED灯照射下的光谱变化（下）
【1】.Wang, Qian, and Kazunari Domen. "Particulate photocatalysts for light-driven water splitting: mechanisms, challenges, and design strategies." Chemical Reviews 120.2 (2019): 919-985.
【2】. Takata, Tsuyoshi, et al. "Photocatalytic water splitting with a quantum efficiency of almost unity." Nature 581.7809 (2020): 411-414.
【3】Wang, Zheng, et al. "Overall water splitting by Ta3N5 nanorod single crystals grown on the edges of KTaO3 particles." Nature Catalysis 1.10 (2018): 756-763.
Wang, Qian, et al. "Oxysulfide photocatalyst for visible-light-driven overall water splitting." Nature materials 18.8 (2019): 827-832.
