《Science》：纳米粒子三重态能量转移助力光化学应用

大多数分子主要处于单重态，即它们的电子总是成对的。而电子未成对的三重态对于很多光化学反应非常有用，但这种状态很难得到。量子力学理论已经揭示从光激发的单重态转变为三重态的效率很低，因此，化学家往往利用光敏剂在吸收光之后通过能量转移使临近的分子达到三重态。

最近，来自北卡罗莱纳州立大学的Felix Castellano教授团队通过实验证明了半导体纳米晶体的三重态激子（excitons）的能量可以转移到结合在其表面上的分子受体上，而且使三重激发态的寿命提高了六个数量级。这一发现对于很多领域都将有深远影响，包括太阳能转换、光化学合成、光电子学以及抗癌光疗法。他们的论文发表在《Science》上。（Direct observation of triplet energy transfer from semiconductor nanocrystals. Science, 2016, 351, 369-372）

图片来源：NC State University

激子是指半导体纳米晶体在吸收光后形成的的电子/空穴对，将该光能以化学能的形式暂时存储起来。举例来说，在太阳能电池中，激子可以在材料中输送能量，以使这种能量可以被收集并转换成电能。

在光化学方面，使用大多数半导体纳米晶体作为光敏剂的主要缺点在于其较短的激发态寿命，通常只有几十纳秒，这使得它们不足以驱动光化学反应。Castellano教授团队致力于探索是否有可能延长半导体纳米晶体的激发态寿命，以达到有利于进行化学反应的足够长的时间尺度。

“根本的问题是，我们是否能以数十纳秒激发态寿命的纳米粒子为基础，并通过敏化反应延长其激发态寿命，”Castellano说。“如果我们从最初纳米晶体的激发态开始，将其能量转移到纳米材料表面上的三重态受体，然后创建出来的分子激发三重态应具有足够长的寿命，以促进化学反应。这也表明半导体纳米晶体表现出与分子很相似的行为。”

Castellano的研究小组在硒化镉（CdSe）纳米晶体上结合油酸，然后其中一些油酸被分子三重态受体9-蒽羧酸（ACA）所取代。当连接ACA的CdSe纳米晶体被绿色激光脉冲激发时，硒化镉产生的激子被转移到ACA，形成了具有毫秒级寿命的分子三重态激子。这意味着三重态的寿命延长了六个数量级，使后续的化学反应成为可能。

“另一个好处是，把激子从纳米粒子表面移走，这样在后续化学反应中并不涉及到纳米粒子本身，这就不会使纳米粒子降解，”Castellano说，“它就可以持续吸收光能并将其转移到周围的溶液中。”

1. http://science.sciencemag.org/content/351/6271/369

2. http://www.sciencedaily.com/releases/2016/01/160121150101.htm