【人物与科研】唐本忠院士团队北京化工大学顾星桂教授课题组：新型双自由基特征的稳定有机小分子光热材料开发及其海水淡化应用
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导语
唐本忠院士简介
唐本忠，中国科学院院士，第三世界科学院院士，（英国）皇家化学会会士，香港科技大学张鉴泉理学教授、化学系与生物医学工程系讲座教授，广州华南理工大学教授，深圳大学AIE研究中心名誉主任。现为科技部973计划项目首席科学家、国家自然科学基金基础科学研究中心项目负责人、广东省引进创新科研团队带头人，以及中国化学会和英国皇家化学会联合期刊Materials
Chemistry Frontiers主编。唐本忠教授累计发表学术论文1600余篇，论文被引用近90000余次，H指数为144，并于2014-2019年连续入选化学和材料双领域高被引科学家。 先后获得多项荣誉及奖励，包括国家自然科学二等奖、Croucher基金会高级研究员奖、中国化学会王葆仁奖和Elsevier杂志社冯新德奖、何梁何利基金科学与技术进步奖。2016年，AIE纳米粒子被Nature列为支撑即将来临的纳米光革命的四大纳米材料之一，并是唯一一种由中国科学家原创的新材料；同年，美国CNBC电视台以“Year of Cancer”的主题，实况专访唐院士，向全球直播介绍AIE荧光探针在识别癌症细胞等领域的应用；2018年初，以第一项目完成人身份凭“聚集诱导发光”项目获得2017年度国家自然科学一等奖。
顾星桂教授简介
顾星桂，北京化工大学，北京软物质科学与工程高精尖创新中心，教授。获得国家级高层次人才计划支持。中国科学技术大学取得理学学士学位（2008年）；中国科学院化学研究所获得理学博士学位（导师张德清研究员，2013年）；香港科技大学化学系从事博士后研究（师从唐本忠院士，2013-2017年）。主要研究兴趣是设计合成聚集诱导发光等新型有机/高分子光、电、热功能材料，在深入理解激发态过程的基础上，发现新机制、寻求新方法来揭示、调控激发态，研究分子聚集态的微观/宏观性质，探索其在能源、环境、生物医学等领域的潜在应用。已在Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际权威期刊上发表学术论文近50篇。目前担任中国化学会青年工作委员会委员，Materials Chemistry Frontiers（MCF）编委，《化学进展》和《中国化学快报（CCL）》青年编委。
前沿科研成果
新型双自由基特征的稳定有机小分子光热材料开发
作者利用具有近红外吸收的克酮酸（CRs）单元的双自由基和介离子之间的电子共振式结构的特点，通过合理的分子设计，在CRs上面引入四苯乙烯噻吩给体单元(D)，获得了一种具有双自由基特性、稳定的D-A-D型有机小分子光热材料（CR-TPE-T）。在CR‐TPE‐T的分子结构中，通过引入共轭TPE-T单元带来了300至650 nm的吸收，克服了大多数CRs呈现的狭窄的800 nm处吸收，将吸收光谱扩展到紫外、可见和近红外区域。值得注意的是，在聚集时，CR-TPE-T可以通过π-π堆积来拓展分子间共轭（能带隙缩小到0.75 eV），并拓宽了CR-TPE-T的吸收光谱（300至1600 nm的光谱范围），有效地促进了太阳光收集（图1）。
（来源：Adv. Mater.）
此外，双自由基的引入有效地扩展CR-TPE-T的NIR吸收。根据能隙定律，较小的能带隙总是导致快速的非辐射衰减率，诱导更高的光热转化效率。理论计算也表明，开壳的双自由基态（OS）的第一激发能为1.58 eV，低于闭壳的非自由基态（CS, 1.69 eV），且OS态将经历比CS态更快的非辐射衰减过程。因此，处于OS态的 CR‐TPE‐T的激发态能量倾向于非辐射耗散，产生热量。有意思的是，在聚集态下，CR-TPE-T表现出更高的双自由基特性，更有利于高效的光热转化。由此可见，CR-TPE-T在聚集态下可以实现了宽光谱的太阳光吸收和高效的光热转化（图2）。
图2. 双自由基特征的表征以及聚集增强自由基性质
（来源Adv. Mater.）
接着，作者考察了CR-TPE-T的光热性能（图3）。在0.8 W cm-2，808 nm激光照射下，CR‐TPE‐T粉末的表面温度在20 s内急剧升至约100 °C，然后在光移除后10 s之内迅速恢复至室温，由此显示出高效的光热转换。作者通过改变激光功率，同样发现这种快速的升温-降温过程。通过定量评估，在808 nm激光下，CR-TPE-T的光热转化效率高达72.7%，显示了优异的光热性能。这是少有的高效光热效率之一。而且，整个转化过程，化合物CR-TPE-T展现了优于多数传统有机光热材料的光稳定性。其光热升温-降温过程可以循环可逆多次，并且对CR-TPE-T粉末的长时间（2 h）光照射中，没有发现明显的光致漂白。
图3. 光热性能研究
（来源Adv. Mater.）
最后，作者将这种性能优异的有机小分子光热材料应用于太阳能驱动的水蒸发系统构建（图4）。他们采用低导热性的多孔聚氨酯泡沫（PU）作为支撑材料。通过简单的溶液浸泡法，将CR‐TPE‐T负载在PU泡沫上，获得棕黑色的PU + CR‐TPE‐T泡沫。改变不同的CR-TPE-T量，可以通过扫描电子显微镜（SEM），观察到CR-TPE-T在PU泡沫的孔表面聚集成微小的聚集体，该微小的聚集体恰好有助于PU泡沫中的CR-TPE-T有效地吸收太阳能。为了实际证明这种有效的水蒸发系统，作者将整个装置放在1个太阳光下照射，得到太阳能驱动水蒸发高达87.2%的效率和1.272 kg m-2 h-1的水蒸发速率，成功将CR-TPE-T应用于局域界面加热的水蒸发系统。进一步，作者还利用该体系对中国黄海海水进行了实际的海水淡化应用，获得了实际可行的效果。
图4. 太阳能驱动水蒸发体系构建以及性能表征
（来源Adv. Mater.）
总结：作者通过精心设计，制备了一种高性能、稳定的、双自由基特征的有机小分子光热材料CR-TPE-T，提出了利用自由基和π-π堆积共同作用拓宽吸收光谱和增强光热转化效率的策略，不仅实现了300至1600 nm的宽太阳光谱吸收，还获得了高效的光热转换效率。在此基础上，成功构建了基于CR‐TPE‐T的局域界面加热蒸发系统，在一个太阳光下的太阳光驱动水蒸发效率高达87.2%，水蒸发速率可达1.272 kg m-2 h-1。该工作展现了结构多样、性能易调的有机小分子光热材料在太阳能高效利用方面的巨大潜力，将会抛砖引玉，促进更多有用的有机小分子光热材料的开发。该工作以“Biradical-Featured Stable Organic-Small-Molecule Photothermal Materials for Highly Efficient Solar-Driven Water Evaporation”发表在最近一期的《Advanced Materials》上。通讯作者为香港科技大学唐本忠院士和北京化工大学顾星桂教授，特别感谢中国科学院化学研究所彭谦研究员在理论计算上的突出贡献。（论文作者：Guanyu Chen（共同一作）, Jiangman Sun（共同一作）， Qian Peng, Qi Sun, Guan Wang, Yuanjing Cai, Xinggui Gu,* Zhigang Shuai, and Ben Zhong Tang*）
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