中国科学院化学研究所王春儒研究员/吴波副研究员：富勒烯材料中稳定且长寿命电荷分离态的构筑和调控

近日，中国科学院化学研究所王春儒研究员/吴波副研究员的AMR述评文章“Rational Construction and Efficient Regulation of Stable and Long-Lived Charge-Separation State in Fullerene Materials”在线发表。文章重点讨论了富勒烯材料中稳定电荷分离态的热力学构筑，长寿命电荷分离态的动力学调控策略，以及富勒烯材料电荷分离态在光催化领域的潜在应用，并总结了该领域在未来的研究和应用前景。

关键词：富勒烯；激发态；电荷分离

Our research approach, which originates from the inherent principles of CS, aims to explore strategies for constructing and regulating stable and long-lived CSs in fullerene derivatives.

01 文章内容简介

光电材料能够充分利用太阳能，完成光电转换、光催化制氢、光催化二氧化碳还原等过程，是实现“双碳目标”、推动绿色发展的支撑性力量。其中，光诱导电荷分离（CS）是光能转化的关键，稳定且长寿命的电荷分离态（CSs）能够有效抑制电荷复合，使得分离后携带有能量的电荷能够有充足的时间参与到后续化学反应中。因此，构建稳定且长寿命的电荷分离态成为研究人员追求的目标。富勒烯结构确定、稳定性高、具有卓越的电子特性，是电子受体明星分子。更重要的是富勒烯电子重组能低，这为稳定且长寿命电荷分离态的获得创造了有利条件。然而，目前报道的很多富勒烯衍生物并没有理想中的长寿命电荷分离态，其关键在于缺乏对电荷分离机理的规律性认识以及简洁高效的调控策略。基于此，我们课题组围绕富勒烯基光电材料的设计，以激发态调控为核心，以规律探索为目标，以期挖掘电荷分离的内在机理和调控规律。

本文围绕富勒烯光电材料的电荷分离规律，系统从以下三个方面进行总结。一是如何构筑热力学稳定的电荷分离态。首先提出了“等效共轭电子数”法，建立了修饰基团结构与HOMO能级之间的经验关联，以此来快速简单地预测CSs的能级。在此基础上，通过增加给体的HOMO能级、降低受体的LUMO能级，或切换电子转移方向，可以成功构筑稳定的CSs。二是提出了延长CSs寿命的动力学调控策略。通过区域异构调控，例如间位或邻位取代使得激发态空穴定域分布，能有效地减缓电荷复合，从而延长了CSs的寿命。此外，通过限制构象变化，也能够有效延长CSs寿命，例如通过引入空间位阻限制构象弛豫，或通过氧化还原调控电子构型等。三是稳定和长寿命电荷分离态在光伏和光催化中的潜在应用。稳定和长寿命的CSs确保了有效的电荷分离和光生载流子输运，对于高效的光伏和光催化反应至关重要。我们从“提高自由基离子对稳定性，构筑长程有序电子转移通道，以及多电子光催化反应的应用”三个方面提出了展望，希望为未来研究提供有益的启发。

02 请问您选择该领域的初心是？

作者团队：

富勒烯是来自宇宙星云的礼物，它独特的几何结构和物理化学性质，使其在众多领域都有十分广泛的应用。目前，我国和国际社会共同提倡“绿色经济”、“可持续发展”和“双碳目标”，我们发现，富勒烯功能材料，能够充分利用光能、促进光能转化，进而有望缓解能源危机、推动绿色发展。然而目前富勒烯材料在光驱动电荷分离方面，还有一些设计和调控机制尚不明确。因此我们开展了有关研究，目的是更加充分的认识富勒烯材料光电转换的机理和调控规律，争取为大家提供更多有益的借鉴思路，为高性能光电材料的研发奠定科学基础。

03 请和大家分享一下这个领域可能会出现的研究机会！

作者团队：

富勒烯具有大的碳笼共轭结构，以及非常丰富的碳碳双键，能够接受多个电子，且能够通过π-π相互作用形成有序的聚集结构。这就延伸出了很多有价值的研究机会。一是稳定的自由基离子对能够延长电荷分离态寿命。富勒烯大碳笼能够稳定电子，获得稳定的电荷分离态；还能通过将电子离域到碳笼，有利于减缓电荷复合，延长电荷分离态的寿命。二是富勒烯组装体能够开辟有序的电子传输通道。通过自组装可得到有序的结构，开辟有序的电子传输通道，进而提高电荷分离效率，并减缓电荷复合。三是富勒烯材料助力多电荷参与的光催化反应。自然界中众多的化学反应涉及多个电子参与，包括二氧化碳还原、水氧化、氮气转化成氨等等，而目前大多数光电材料只涉及单电子转移，这对于多电子反应是不利的。而富勒烯能够容纳多个电子的这一特性，为多电子光催化反应带来了重大机遇。

04 您有什么科研心得想分享给读者们？

作者团队：

做基础研究，要有板凳甘坐十年冷的勇气，只要我们怀着火热的信心，保持对科研的热爱，热情如火、疾行如风，再难的科研高地也终将会被拿下。做基础研究，更要善于把论文写在祖国的大地上，以国家重大战略需求为指引，以社会和人民关注的问题作为研究对象，做一些对国家、对人类有用的工作，是我们从事科学研究永远的动力。

作者团队简介

王春儒：中国科学院化学研究所研究员，博士生导师，全国政协委员。主要从事富勒烯、金属富勒烯碳纳米材料的制备及其应用等方面研究。在国内率先开展富勒烯和金属富勒烯的产业化工作，填补了国内空白。近期致力于富勒烯的生物医药应用研究。作为项目负责人承担多项科技部重点研发计划项目、863项目、国家自然科学基金委重点项目、杰出青年基金项目、重大方向性项目等。已在Nature, Science, Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等国际著名期刊上发表文章300余篇，他引13000余次。2002年获得国家杰出青年科学基金资助，2007年获国务院政府特殊津贴，并入选“新世纪百千万人才工程”国家级人选，2015年获得中国科学院科技成果转化二等奖， 2022年获得中国产学研合作创新奖。

吴波：中国科学院化学研究所副研究员。2016年在中国科学院化学所获博士学位，2019年起在中国科学院化学所任副研究员。致力于富勒烯激发态功能材料的应用基础研究，主要以富勒烯及衍生物分子的设计、激发态特性调控及功能材料应用为研究方向。作为项目负责人和重要研究骨干承担科技部、基金委、中国科学院等项目10余项，以第一/通讯作者在Nat. Commun., JACS, Angew. Chem. Int. Ed.等高影响力的期刊上发表文章20余篇，授权发明专利15项，6项实现成果转化。2018年入选中国科学院青年创新促进会，终期获评优秀；2023年获国家自然科学基金委优秀青年基金资助；获中国化学会纳米化学新锐奖等。

王冲：中国科学院化学研究所博士研究生，导师为王春儒研究员。主要研究方向是富勒烯材料激发态电子转移的机理研究和应用。

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Rational Construction and Efficient Regulation of Stable and Long-Lived Charge-Separation State in Fullerene Materials

Chong Wang, Bo Wu*, and Chunru Wang*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00247

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