杨新一教授在高量子产率MOFs发光材料研究中取得重要进展

时间:2022-10-01    点击:

近日,物理学院杨新一教授、邹勃教授,化学学院方千荣教授与美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授合作利用压力处理工程和氢键协同效应实现镧系金属有机框架(MOFs)材料Tb(BTC)(H2O)6绿色荧光增强,其荧光量子产率从50.6%显著提高到90.4%。相关研究成果以“Maximized Green Photoluminescence in Tb-Based Metal-Organic Framework via Pressure-Treated Engineering”为题发表在《德国应用化学》上。

 

性能优异的光电器件表现出巨大的应用市场。MOFs材料在光电领域具有潜在的应用前景,其中镧系MOFs受到了广泛关注,然而提高其荧光量子产率仍然面临巨大挑战。高压作为独立于温度和化学组分的热力学参量,能够有效调控材料的晶体结构和电子结构,获得常规条件下难以得到的新结构和新性质,特别是在增强光电性能方面提供了新途径。然而,大多数材料的发光在高压下虽然增强,但是当压力完全释放后,样品的发光强度恢复到初始状态后甚至更弱。为此,科学家们一直希望设计出通过压力处理工程能够实现高发光量子产率的材料。邹勃团队提出空间位阻效应和量子尺寸效应等系列通过提高相变势垒的策略,成功地截获了高压相。

在本工作中,邹勃团队杨新一课题组以典型的荧光MOFs材料Tb(BTC)(H2O)6为研究对象,有机配体为均苯三甲酸,首次提出了利用氢键协同效应,提高相变势垒,截获高压相的新策略。通过压力处理策略增强氢键作用,锁住有机配体中由羧酸基团和苯环形成的共轭构型,优化系间窜越过程,有效地驱动有机配体到金属的能量转移(LMET)。压力下Tb(BTC)(H2O)6表现出独特的光学特性。在2.5 GPa以内,压力诱导三重态能级降低,有效地促进LMET过程,荧光逐渐增强。压力完全释放后,Tb(BTC)(H2O)6的荧光量子产率从初始50.6%提高到90.4%。原位高压同步辐射X射线衍射和红外光谱研究表明,压力处理后氢键作用增强,使有机配体中羧酸基团和苯环的扭曲构型得以保留至常压。通过GSAS软件分析在加压前和卸压后Tb(BTC)(H2O)6结构中原子间键长和键角的变化,发现压力处理后氢键作用增强,提高了有机配体中羧酸基团和苯环间的共轭程度,从而有效地促进系间窜越过程。此外,利用有机配体的紫外-可见吸收光谱及Gd-BTC MOFs的最短磷光发射光谱分别计算有机配体的单重态和三重能级。结果表明,压力处理后有机配体三重态和单重态的能级差为7880 cm-1,小于初始条件下的能级差(8078 cm-1)。探究了配体三重态与金属离子的能量转移过程,发现压力处理后,有机配体三重态与金属离子间的能级差(3466 cm-1)比初始状态下的能级差(3990 cm-1)小524 cm-1,表明压力降低了单重态和三重态能级,使其更接近金属离子能级。这有利于提高LMET过程,从而实现常压下Tb(BTC)(H2O)6绿色荧光增强。

 

科学家们一直在追寻高量子产率MOFs发光材料,高压可以微调MOFs的晶体结构,并利用氢键协同效应锁住共轭扭曲构型,使部分MOFs发光材料荧光量子产率大幅度提高,这为深入研究MOFs光物理行为提供了新视角,也为设计和制备新型MOFs发光材料提供了新思路。

安全18国产微柏精品一厂超硬材料国家重点实验室王艺璇博士为本文的第一作者。本文通讯作者为安全18国产微柏精品一厂超硬材料国家重点实验室杨新一教授、邹勃教授、吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室方千荣教授和美国德克萨斯大学圣安东尼奥分校陈邦林教授。该工作得到了国家自然基金委项目杰青项目和面上项目的资助,同时也得到了上海光源同步辐射BL15U1线站的大力支持。

论文全文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202210836

谨以此文献给吉林大学物理学科七十华诞!

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