【人物与科研】华南理工大学曹德榕教授团队与香港科技大学唐本忠院士团队：利用共轭聚合物超分子网络构建高效人工光捕获体系

导语

人工光捕获体系的天线效应可以代表其光捕获能力。天线效应依赖于两个方面：（1）供体捕获到光能后能否将捕获到的能量传输给受体；（2）相邻供体和受体之间的能量转移过程是否高效。如何提高天线效应是人工光捕获体系研究领域的挑战性课题。

近日，华南理工大学曹德榕教授课题组与香港科技大学唐本忠院士课题组合作，首次利用具有聚集诱导荧光增强（AEE）性质的共轭柱芳烃聚合物主体（CPH）和具有共轭结构的双结合位点的客体（Gs），通过主客体作用构建了共轭聚合物超分子网络（CPSN）。CPSN是一类新型人工光捕获体系，在溶液态和固态薄膜状态下的天线效应分别高达35.9和90.4，为目前报道的人工光捕获体系天线效应的世界纪录。该工作的第一作者是华南理工大学的博士生许林贤。相关研究成果发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.201907678）。

曹德榕教授课题组简介

课题组主要从事有机功能分子的设计、合成与应用。目前已经在柱芳烃超分子化学、光电功能材料以及生物传感器材料等方面取得了诸多进展，在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem. A, Org. Lett.等国际知名学术期刊上发表论文200余篇。

在超分子化学领域，课题组于2009年首次发现了柱[6]芳烃以及其他的大环柱芳烃，并利用柱芳烃易于功能化的特点，设计合成了一系列有荧光性能的柱芳烃主体，包括“荧光空腔”结构（J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 1047）、有AEE性能的柱芳烃聚合物主体（Chem. Commun. 2018, 54, 9274）、有AEE性能的双柱芳烃小分子主体（Chem. Commun. 2019, 55, 5910）等。

曹德榕教授简介

曹德榕博士，华南理工大学化学与化工学院教授，化学系主任，博士生导师，生物有机与功能材料科研团队负责人，兼任发光材料与器件国家重点实验室教授、新加坡国立眼科研究所兼职首席科学家、中国能源学会专家委员会委员、广东省化学会有机化学专业委员会委员。1983年本科毕业于兰州大学化学系；中德联合培养有机化学专业博士；曾分别在中国科学院上海有机化学研究所和德国美因茨大学有机化学研究所做博士后。

前沿科研成果

利用共轭聚合物超分子网络构建高效人工光捕获体系

该课题组与香港科技大学唐本忠院士课题组合作，合成了具有聚集诱导荧光增强（AEE）性质的共轭柱芳烃聚合物主体（CPH）和具有共轭结构的双结合位点的客体（Gs）。CPH和G通过自组装结合形成共轭聚合物超分子网络（CPSN）。该体系具有优异的荧光性能和捕光能力。在溶液态和固态薄膜状态下，该体系的天线效应分别高达35.9和90.4，是目前报道的人工光捕获体系的最高天线效应（Angew. Chem. Int. Ed. DOI: 10.1002/anie.201907678）。

图1. 共轭聚合物主体CPH、对照主体（CP、NPH和CH）和客体（GY、GR、GB、G2和GYM）的分子结构，及CPSN的结构示意图

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

CPSN体系的超高天线效应得益于以下四个方面的协同作用：1）体系重复单元中的柱芳烃主体和AEE基元通过自身相互缠绕或在超分子作用下发生聚集，从而表现出AEE特性；2）在超分子作用下，一个客体分子同时与两个主体空腔相结合产生交联，并被束缚在两个刚性聚合物主体链之间，实现客体间的彼此分离，从而避免因为客体分子自身聚集而导致的聚集诱导淬灭（ACQ）效应；3）交联作用拉近了供体和受体之间的距离，从而促进分子结构的有序紧密排列；4）共轭聚合物主体还具有“分子导线”功能和“信号放大”效应。这为构建高效的人工光捕获体系提供了一种新的思路。

图2. A. 虚线：归一化的荧光发射光谱；实线：归一化的紫外吸收光谱；B. CPSN的天线效应和能量转移效率（插图）与供体/受体比的关系；C. CPSN在不同溶剂比的混合溶剂中的荧光光谱；D. CPSN的天线效应与混合溶剂比例的关系

（来源：Angew. Chem.Int. Ed.）

通过调节CPSN中各组分的种类与供体/受体配比，CPSN还可以实现广色域的荧光调控，其发光色域的面积可以达到96％ sRGB色域面积。

图3. A. CIE色坐标图：黑色三角形区域为sRGB色域，灰色四边形区域是CPSN的色域；B. CPSN的荧光照片的实例，包括纯白色光发射（0.33, 0.33）。

（来源：Angew. Chem. Int. Ed.）

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上（Angew. Chem. Int. Ed., DOI: 10.1002/anie.201907678），题目为“AEE Conjugated Polymeric Supramolecular Network: an Efficient Light-Harvesting System with Ultrahigh Antenna Effect”。该论文作者为：Linxian Xu, Zaiyu Wang, Rongrong Wang, Lingyun Wang, Xuewen He, Huanfeng Jiang, Hao Tang, Derong Cao, BenZhong Tang。研究工作得到了国家重点研发项目（2016YFA0602900）、国家自然科学基金（(21572069，21772045）、香港研究资助局（N_HKUST604/14，C6009-17G）、广东省自然科学基金（2018B030311008，2018A0303130007）、中央高校基资金（2018MS38）和华南理工大学“兴华学者计划”的资助。

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