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唐本忠院士,最新Angew!

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第一作者:Qicheng Yu
通訊作者:唐本忠、孫建偉、Jacky W. Y. Lam
通訊單位:香港科技大學(xué)、香港中文大學(xué)(深圳)理工學(xué)院
論文速覽
聚集是一種傳統(tǒng)的提高純有機(jī)發(fā)光體量子產(chǎn)率(QYs)的方法,因?yàn)檫@種方法可以限制分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)(RIM)。然而,在金屬有機(jī)框架(MOFs)中如何實(shí)現(xiàn)RIM仍然不清楚且具有挑戰(zhàn)性。
在本研究中,首次提出了配體間錨定策略,并證明這是一種有效和系統(tǒng)的方法,用于限制MOFs中配體的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)以提高QY。通過簡單地將配體上的取代基位置從對(duì)位(para)轉(zhuǎn)移到間位(meta),得到的MOF的QY顯著提高了11倍。這一值甚至高于配體聚集體,展示了這種配體間錨定策略強(qiáng)大的RIM效應(yīng)。
引入輔助配體誘導(dǎo)了可見黃色室溫磷光的出現(xiàn),壽命為222毫秒,這是由于QY提高和供體與受體單元之間的電荷轉(zhuǎn)移所致。因此,本研究從新的角度拓寬了對(duì)RIM機(jī)制的理解,開發(fā)了一種實(shí)現(xiàn)RIM的新方法,并將適用對(duì)象從純有機(jī)材料擴(kuò)展到有機(jī)-無機(jī)雜化材料。
圖文導(dǎo)讀
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圖1:限制分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)的方法
在有機(jī)發(fā)光體中通過分子堆疊限制分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)AIE機(jī)制,以及本文提出的MOFs中配體間錨定和對(duì)位錨定策略,強(qiáng)調(diào)了3,3′-bpy間位錨定在限制分子內(nèi)運(yùn)動(dòng)方面的潛在優(yōu)勢。
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圖2:SIFSIX-Zn-1和SIFSIX-Zn-1’的結(jié)構(gòu)和總能量計(jì)算
通過晶體結(jié)構(gòu)展示了SIFSIX-Zn-1和SIFSIX-Zn-1’的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)差異,以及不同旋轉(zhuǎn)角度下4,4’-bpy分子和SIFSIX-Zn-1的總能量變化,證明了3,3’-bpy在SIFSIX-Zn-1’中的固定作用,從而限制了分子內(nèi)旋轉(zhuǎn)。
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圖3:SIFSIX-Zn-1和SIFSIX-Zn-1’的光物理性質(zhì)和前沿軌道計(jì)算
SIFSIX-Zn-1和SIFSIX-Zn-1’的光致發(fā)光光譜,以及它們的量子產(chǎn)率(QY)和前沿軌道(HOMO和LUMO)的分布,說明了間位錨定策略如何提高QY。
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圖4:CID-1和CID-1’的結(jié)構(gòu)、光物理性質(zhì)和前沿軌道計(jì)算
通過CID-1和CID-1’的結(jié)構(gòu)展示了引入輔助配體IPA對(duì)MOFs結(jié)構(gòu)和發(fā)光性能的影響,以及室溫下和77 K時(shí)的磷光延遲光譜,突出了間位錨定策略在提升室溫磷光性能方面的有效性。
總結(jié)展望
本研究提出了一種新的策略——配體間錨定策略,通過簡單地將配體上的取代基位置從對(duì)位轉(zhuǎn)移到間位,顯著限制了MOFs中配體的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng),從而顯著提高了MOFs的發(fā)射效率。
通過密度泛函理論(DFT)計(jì)算的總能量變化證明了SIFSIX-Zn-1中4,4’-bpy的可旋轉(zhuǎn)性。由3,3’-bpy構(gòu)建的SIFSIX-Zn-1’的QY達(dá)到了47.5%,是SIFSIX-Zn-1(3.8%)的11倍,證實(shí)了配體間錨定策略成功提升了發(fā)光MOFs的QYs。此外,SIFSIX-Zn-1’的QY(47.5%)明顯高于4,4’-bpy(24.7%)和3,3’-bpy(6.5%),表明在中空MOFs中鎖定的有機(jī)分子可以比在聚集體中緊密堆積的分子更亮地發(fā)射,并展示了配體間錨定策略的強(qiáng)大RIM效應(yīng)。
通過引入輔助配體IPA與4,4’-bpy或3,3’-bpy構(gòu)建的MOFs CID-1和CID-1’,CID-1’觀察到了明亮的黃色RTP,壽命(222 ms)比CID-1(44 ms)長得多。CID-1’的QY高達(dá)61.1%,而CID-1僅為8.6%。
HOMO和LUMO的計(jì)算表明,MOFs中雙配體之間的D-A作用縮小了能隙,并將RTP的顏色從IPA的綠色紅移至CID-1’的黃色。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果堅(jiān)定地支持了配體間錨定策略可以通過延長壽命和提高發(fā)射效率來提升MOFs的RTP性能的觀點(diǎn)。因此,我們開發(fā)了一種有效和系統(tǒng)的方法,通過優(yōu)化它們自身的結(jié)構(gòu),限制配體的分子內(nèi)運(yùn)動(dòng),并從根本上提升發(fā)光MOFs的QYs。
文獻(xiàn)信息
標(biāo)題:Ligand Meta-Anchoring Strategy in Metal-Organic Frameworks for Remarkable Promotion of Quantum Yields
期刊:Angewandte Chemie International Edition
DOI:10.1002/anie.202401261

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