青岛大学王国明课题组利用光生自由基实现质子导电性能提升

为缓解不可再生资源日益枯竭与环境污染问题，高效、环保性能燃料电池的研究引起广泛关注。质子传导膜作为现代燃料电池的核心技术，如何动态调控质子传导尤其是光控质子导电性等研究，一直是科研人员亟需解决的重要科学问题。有机-无机杂化晶态材料具有结构可剪裁、良好的热稳定性和水稳定性等优点，在光调控质子导电领域具有很大的应用潜力。目前报道的光响应质子导电晶体材料中，通过有机磺酸光诱导质子解离以及偶氮苯或螺吡喃基团的异构化，均可实现材料的光开关质子导电行为。然而，利用室温光照调控材料的质子导电行为尤其是在调控光生自由基改变颜色的同时，如何提升材料的质子导电性能还面临较大挑战。

光致变色材料以其良好的抗疲劳性和较快的响应速度等优势为人们所重视，当其暴露在激发光源下，在引起显著颜色变化的同时，还可以改变材料的物理化学性能，如导电率、磁性、二阶非线性光学性能等。当主体框架含有丰富的氢键网络时，光生自由基可引起氢键作用的变化，进而改变材料的质子导电行为。

青岛大学王国明和胡继祥课题组利用光生自由基进行质子导电性能调控，成功设计出具备优异光调控质子传导性能的功能变色材料（图1）。以有机膦酸单元为电子供体，缺电子多吡啶单元为电子受体，以及稀土离子作为顺磁中心，三者协同作用构筑了一例链状结构的光致变色材料。通过光照和加热处理，一维链结构产生的自由基能够可逆地调节光致变色、发光和光磁耦合性质。在相对湿度为100 %，温度为80 °C环境中，基于结构中膦酸基团与晶格水之间形成的丰富氢键网络，材料的质子电导率为1.74×10⁻³ S cm⁻¹。有趣的是，伴随着持续光照无色样品变成蓝色，其质子电导率明显增加（约20 %），这表明光生自由基能够有效诱导更为广泛的氢键参与质子传导过程。这项工作首次实现了电子转移光致变色材料的光响应质子导电性能，为合成智能导电材料提供了新的策略。

图1 膦酸铽一维链结构、变色行为以及不同温度下的光诱导质子导电性能

该成果以“Light Enhanced Proton Conductivity in a Terbium Phosphonate Photochromic Chain Complex”为题，最新在线发表于Science China Chemistry上（doi:10.1007/s11426-021-9976-7）。

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通讯作者简介

胡继祥 青岛大学特聘教授。2018年博士毕业于大连理工大学，主要从事磁性功能配合物研究。 

王国明 青岛大学特聘教授。主要从事功能配合物与杂化材料的制备与光电性能研究。