【Angew.Chem.】中山大学王嘉蔚等|量子产率逼近50%!重原子效应破解单重态猝灭难题,内源性抑制非生产性的单重态猝灭

【Angew.Chem.】中山大学王嘉蔚等|量子产率逼近50%!重原子效应破解单重态猝灭难题,内源性抑制非生产性的单重态猝灭#

文章标题:Intrinsically Inhibiting Singlet Quenching of Organic Sensitizers for Enhanced CO2 Photoreduction

文章作者:Fan Ma, Jin-Shuang Zhao, Rong-Jie Guo, Boxian Xu, Jia-Wei Wang, Gangfeng Ouyang

文章链接https://doi.org/10.1002/anie.9417743

文章概要#

光催化二氧化碳还原是实现太阳能化学燃料转化的前沿途径,但高效体系长期受限于贵金属光敏剂的高昂成本与环境负担。近期,研究团队在《Angewandte Chemie International Edition》上报道了一种基于热活化延迟荧光(TADF)分子的重原子修饰策略,通过在有机光敏剂骨架中引入溴原子加速系间窜越,在动力学层面内源性抑制非生产性的单重态猝灭,显著提升了长寿命三重态的利用效率。该体系在可见光驱动下实现了高达49.8% ± 5.3%的CO生成量子产率,大幅超越了经典钌、铱贵金属基准以及已报道的绝大多数纯有机光敏体系。

引言#

在光催化二氧化碳还原(PCO2R\text{PCO}_2\text{R})体系中,光敏剂(PS) 负责捕获光子并启动电子转移级联反应。钌(Ru)、铱(Ir)等贵金属配合物虽具有较长的激发态寿命,但其稀缺性与潜在环境危害制约了规模化应用;而常规无金属有机染料往往受限于较慢的系间窜越速率和微弱的三重态布居。近年来,具备微小单线态-三线态能隙(ΔEST\Delta E_{\text{ST}})的热活化延迟荧光(TADF)有机光敏剂展现出巨大潜力。然而,这类分子在激发态还原猝灭过程中面临激烈的动力学竞争:牺牲电子给体猝灭单重态所生成的离子对极易发生自旋允许的超快背向电子转移,造成无效电荷复合;而三重态猝灭产物因自旋禁阻具有极高的笼外逃逸产率。如何在分子设计上内源性强化系间窜越并战胜单重态猝灭,是提升有机光敏剂催化效率亟待攻克的核心难题。

Fig.1 (A) Molecular structures of the TADF PSs with corresponding abbreviations. (B) Steady-state UV–vis absorption (solid lines), normalized emission (dashed lines) spectra. (C) TRPL decay traces of PSs. All spectra were recorded in Ar-saturated CH3CN with 450 nm excitation. Trace colors: 4DPAIPN (red), 4Br-DPAIPN (blue), 4PY-DPAIPN (yellow).#

主要实验及结论#

研究团队以经典TADF分子4DPAIPN为原型,设计合成了溴代衍生物4Br-DPAIPN与吡啶取代衍生物4PY-DPAIPN并展开了系统的光物理研究(如图1)。稳态吸收与瞬态光致发光光谱表明,三者均具有宽泛的可见光吸收,而溴原子的引入显著增强了自旋-轨道耦合,促使4Br-DPAIPN的系间窜越速率(kISCk_{\text{ISC}})大幅跃升至7.1×108 s17.1 \times 10^8 \text{ s}^{-1},荧光寿命明显缩短(如图1)。变温发光光谱与77 K低温磷光测试进一步揭示,三者均维持了约0.16至0.17 eV的小能隙特征,但4Br-DPAIPN在低温下的磷光寿命因重原子效应由数百毫秒骤降至84毫秒,验证了重原子修饰对单重态-三重态跃迁动力学的强效促进作用(如图2)。电化学循环伏安测试则表明,两类吸电子基团均使分子的基态与激发态氧化还原电位发生正移,提供了充足的热力学驱动力(如图3)。

Fig.2 (A) Contour plots depicting the temperature-dependent emission spectral evolution of the PSs in 2-MeTHF. (B) Steady-state photoluminescence, (C) time-resolved phosphorescence, and (D) time-resolved fluorescence spectra recorded at 77 K. Trace colors: 4DPAIPN (red); 4Br-DPAIPN (blue); 4PY-DPAIPN (yellow).#

Fig.3 (A) CVs of the organic PSs (0.5 mM) in Ar-saturated CH3CN with 0.1 M nBu4NPF6 as the supporting electrolyte at a scan rate of 100 mV/s. (B) Energy level diagram summarizing the measured half-wave reduction potentials, oxidation peak potentials, and the corresponding estimated energies of the singlet and triplet excited states. Trace colors: 4DPAIPN (red), 4Br-DPAIPN (blue), and 4PY-DPAIPN (yellow).#

在光催化二氧化碳还原测试中,研究人员将光敏剂与廉价的四羧基酞菁钴(CoTCPc)催化剂及牺牲剂BIH配对,在450 nm可见光照射下进行反应(如图4)。在最优条件下,4Br-DPAIPN体系展现出惊人的光催化活性与选择性,初始反应速率达到3.3 μmolmin1\mu\text{mol}\cdot\text{min}^{-1},CO选择性超过98%,在15分钟内的CO生成量子产率(QYCO\text{QY}_{\text{CO}})高达49.8% ± 5.3%(如图4)。该性能不仅显著高于母体4DPAIPN体系(42.3%)与4PY-DPAIPN体系(8.6%),更达到了钌基准配合物体系的10倍以上(如图4)。碳13同位素标记实验(13CO2^{13}\text{CO}_2)确证生成的产物全部源自气相二氧化碳底物。

Fig.4 Molecular structures of (A) the catalyst CoTCPc and (B) the referenced precious-metal-based PSs. (C) Time profiles of photocatalytic CO (star) and H2 (circle) formation with 0.5 mM PS and 0.05 mM CoTCPc under 450 nm irradiation. (D) CO and H2 yields obtained with different BIH concentrations for systems containing 4DPAIPN or 4Br-DPAIPN after 15 min or 2 h of irradiation. (E) QYCO for CO production at 15 min under 450 nm irradiation. Standard condition: PS (0.5 mM), CoTCPc (50 µM), phenol (4.0 v%), BIH (50 mM) in 4 mL CH3CN/TEA (v = 5<1>) with 450-nm LED irradiation under 1 atm CO2. The error bars represent the standard deviations of three independent measurements.#

通过瞬态发光猝灭实验与激发态动力学定量分析,研究团队阐明了体系性能差异的深层机理。在光催化工作浓度下,还原猝灭占绝对主导;对于4PY-DPAIPN,其激发态氧化能力的提升显著加速了单重态猝灭速率(6.0×108 s16.0 \times 10^8 \text{ s}^{-1}),导致单重态在发生系间窜越前大量被无效消耗;而4Br-DPAIPN凭借重原子效应赋予的超快系间窜越速率(7.1×108 s17.1 \times 10^8 \text{ s}^{-1}),在竞争中以4.5倍的显著优势压倒了单重态猝灭途径。这种内源性的动力学优势最大限度地将光激发能量引导至长寿命三重态,进而高效生成具有高逃逸产率的催化活性自由基阴离子,从微观机制上实现了反应路径的精准转向。

Scheme 1 Reductive quenching processes of the singlet and triplet excited states of PS by BIH.#

Scheme 2 Proposed energy and electron transfer processes for the PS/CoTCPc/BIH system.#

总结及展望#

该工作确立了通过重原子功能化调控激发态动力学竞争的理性分子设计策略,成功打破了传统有机光敏剂在光催化二氧化碳还原中面临的单重态猝灭损耗壁垒。这一发现不仅使全有机体系在光还原效率上完全超越了经典贵金属光敏剂,也证明了通过激发态动力学精细调控替代昂贵金属路线的可行性,为未来开发低成本、高稳定性的全有机光氧化还原体系与太阳能燃料转化器件提供了全新的设计范式与理论支撑。

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作者
Fluolab
发布于
2026-08-20
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