新型固态材料将蓝色阳光以创纪录效率转化为紫外线，实现太阳能驱动化学
阳光丰富，但其大部分能量以可见光和红外光子的形式到达，而非驱动许多化学反应、固化树脂或净化水所需的高能紫外线。九州大学的一个团队开发了一种有机固态材料，解决了这一问题，将两个低能量的蓝色光子转换为一个更高能量的紫外线光子，其效率首次使该过程在自然阳光下变得实际可行。
这项研究于6月23日发表在《自然·通讯》上，是君塚信夫名誉教授实验室长达14年努力的结晶，在他退休前仅11天作为最终稿交到他手中。
非典型上转换
大多数光子上转换系统要么通过非线性光学晶体（需要强激光脉冲），要么通过镧系元素掺杂纳米颗粒（高效但限于特定波长）工作。九州大学团队的方法使用一种完全不同的机制：有机半导体中的三重态-三重态湮灭（TTA）光子上转换。
该系统由两个组件构成：
- Ir(ppy)₃（三(2-苯基吡啶)铱(III)），一种有机金属配合物，吸收约445nm的蓝光，并通过系间穿越高效地将其转化为长寿命的三重态。
- iBu-DHI（四异丁基取代的5,10-二氢茚并[2,1-a]茚），一种有机半导体，通过烷基侧链精确控制分子间距约0.4nm，足够接近以便德克斯特电子交换机制高效传递三重态能量，同时又足够远以防止此前固态TTA系统失败的激子猝灭。
工作原理
能量级联分四个步骤进行：
1. 吸收： Ir(ppy)₃吸收一个蓝色光子（约445nm），将一个电子激发到单重态，该电子随后通过系间穿越快速进入三重态。
2. 传递： 三重态能量通过德克斯特电子交换跳跃到相邻的iBu-DHI分子上，这是一个需要直接轨道重叠的量子力学过程。
3. 湮灭： 两个处于三重态的iBu-DHI分子扩散并碰撞。它们的三重态结合并湮灭，将其中一个分子提升到更高能量的单重态。
4. 发射： 该单重态通过辐射衰变，发射一个能量约为两个吸收可见光子之和的单个紫外光子。
iBu-DHI的计算三重态能量传递时间为1.25微秒，而更大的衍生物（2-EtBu-DHI）为42毫秒，相差四个数量级，这说明了分子设计的关键性。
创纪录的性能指标
该材料在固态下实现了1.9%的绝对上转换量子产率，这是在低于10 mW/cm²激发阈值下运行的室温、可见光到紫外TTA-UC系统中的最高报告值。阈值强度本身，即维持上转换所需的最小光照水平，旋涂膜仅为1.2 mW/cm²，滴铸膜为0.7 mW/cm²。作为参考，445nm处的太阳辐照度约为1.4 mW/cm²，这意味着该系统在自然阳光强度以下即可运行。
该材料还显示出显著的缺陷耐受性：结晶性iBu-DHI在固态下保持69–83%的荧光量子产率（溶液中为88%），而未取代的母体化合物（DHI）在结晶时从96%骤降至仅10%，这种近乎完全的崩溃在历史上一直困扰着固态TTA-UC的研究。
固态下的三重态寿命为4.0毫秒，足够长以确保三重态扩散和湮灭在能量损失之前高效进行。
应用
无需外部电源即可从自然阳光产生紫外光子的能力开启了若干实际用途：
- 太阳能驱动光催化，紫外线驱动可见光无法实现的化学反应，包括水分解和污染物降解
- 空气和水净化，紫外线灭活病原体并分解挥发性有机化合物
- 3D打印树脂固化，可使用浓缩阳光而非高功率紫外灯来固化光聚合树脂
- 牙科填充物和凝胶美甲涂层，目前需要专用紫外线光源的光固化材料
iBu-DHI材料可通过简单的一锅法反应从廉价原料合成，无需有毒溶剂，并且该团队已为该技术申请了专利。值得注意的是，iBu-DHI还可与4CzIPN等有机TADF（热激活延迟荧光）敏化剂配合使用，从而无需昂贵的铱配合物。
通讯作者、九州大学工学院副教授佐々木陽一指出，真正的突破在于分子设计原理，而非特定材料。”利用sp³碳上的烷基链在不阻碍轨道重叠的情况下控制间距的空间位阻保护策略可应用于其他有机半导体系统，”他表示。”这是固态猝灭问题的通用解决方案。”
来源：
1. Harada, N., Shoyama, H., Boonmong, N. 等. “Sterically protected π-electron systems for efficient solid-state photon upconversion.” Nature Communications 17, 5134 (2026). DOI: 10.1038/s41467-026-73898-0
2. 九州大学. 通过ScienceDaily发布的新闻稿，2026年6月23日.
3. Sasaki, Y. & Kimizuka, N. 九州大学. Phys.org和SciTechDaily的补充报道.
婷 翻译