[00129855]强吸收、长寿命铜配合物功能分子的设计、合成及光学性能

一、课题来源与背景 课题的计划来源于国家自然科学基金应急管理项目基金《强吸收、长寿命铜配合物功能分子的设计、合成及光学性能》（21443010）,属于新材料领域。 近年来,过渡金属配合物由于高的内在发光效率（近100%）和长的激发态寿命（毫秒级）,在太阳能电池转换、离子检测、生物探针、有机发光二极管等领域成为研究热点。目前,钌配合物作为光敏染料,在DDSC的应用中已取得最高近12%的光电转化效率。Ir配合物作为发光层在OLED中,也已实现了近30%的外发光量子效率,其他的贵金属如铂（Pt）、金（Au）、锇（Os）等也都显示出广阔的应用前景。然而,这些重金属离子在地球中的含量较少,价格昂贵、毒性较大。从可持续发展的角度来说,寻找含量丰富、价格低廉、毒性较小的替代元素更显得尤为必要。第一主族的铜元素具有毒性低、价格廉、原料易得,环境友好等优点。更为重要的地是,一价铜离子所形成的配合物,有着和其他贵金属配合物（如钌配合物）,相似的光物理和光化学特性（如表1）,在替代贵金属配合物成为新一代光活性材料上（photoactive material）,有着更为广阔的发展前景。 但光激发过程中,铜配合物分子结构会进行“Jahn-Teller（J-T）”扭曲转变,即,从基态的准四面体构型（d10电子组态）)向激发态的平面几何构型（d9电子组态）转变,容易与环境中的溶剂或其他分子形成激子缔合物而引起发射猝灭或增大非辐射跃迁几率。因此溶液中Cu配合物一般都具有较短的激发态寿命（纳秒级）和较弱的发光效率,从而限制了其在太阳能电池、离子检测及生物探针、光敏剂催化等领域上的应用效果,如何设计、合成具有长寿命、较强发光效率的新型Cu（I）配合物对研究和发展新型发光材料具有重要的理论和现实意义。 基于铜配合物发光材料在固体发光和其他领域中具有重要的理论和实际意义,本项目拟采用唑类有机配体,首次通过芴类发色基团的引入,来灵活有效地操控有机发色基团3IL/3LLCT态与过渡金属铜配合物3MLCT态之间的有效耦合作用,据此设计合成包含芴的咪唑类Cu（I）配合物,初步研究配合物结构及其发光行为的关系。本研究将为探索实现强吸收、长寿命Cu（I）配合物分子设计与合成提供理论和实验基础。 二、技术原理及性能指标 首先,通过有机合成手段合成出具有不同能级水平的有机发色基团,然后通过偶联反应把发色基团连接到咪唑类配体上,最后通过络合反应及一系列处理得到目标产物。在具体研究过程中,通过不同能级、不同间隔距离,不同唑类配体等条件来调控铜金属配合物的激发态特性,探讨不同配体电子结构的变化与配合物光物理性质变化之间的关系。 高性能铜配合物发光材料具有以下性能指标特征：（i）高的吸光能力,可见区摩尔吸光系数大于104;（ii）高的发光效率,量子发光效率大于25%;（iii） 较长的激发态寿命,微妙级。探索实现长寿命、较强发光效率Cu（I）配合物分子设计的规律和方法,这无疑对新型Cu配合物光功能材料的应用具有重要意义。 三、技术的创造性与先进性 申请人以如何获取铜配合物的长激发态寿命和具有较强发光效率这两大特性进行新探索,借鉴过渡金属配合物体系中的“激发态平衡”策路的最新研究成果,并与自身研究相结合,在理论上、实验操作上均有可靠基础。既没有脱离前人的科研成果,又有所延伸、拓展,整个研究过程体现了研究课题的前沿性,同时又体现了研究课题的创新性。申请人通过合理的分子设计策略,完成设计出乐长寿命和较强发光效率的高性能铜配合物发光材料,实现了发光材料在使用和性能上的一个提高,并且展示了良好的应用前景,为这种廉价、环境友好型发光材料的应用奠定了基础。该工作在发光材料领域广受关注,在国内外属于前沿性和引领性工作。 四、技术的成熟程度、适用范围和安全性 铜配合物发光材料因其来源丰富、低成本、环境友好及丰富的光学特性,在在太阳能电池转换、离子检测、生物探针、有机发光二极管等领域等众多领域有着无比广阔的应用潜力。设计和合成具有优异发光特性的铜配合物发光材料的研究工作具有重要意义。至目前为止,铜配合物发光材料的研发研究工作还很有限,主要集中在有限几个配体与铜元素的构筑上,如联吡啶、啉菲锣啉等配体的复合上,在性能和种类上需要更深入的拓展和应用。 本项目自2015年开始,始终致力于高性能铜配合物发光材料的设计、制备及其性能研究,铜配合物材料由于友好的环境相容性、价格低廉、发光性能良好,可以认为是当前在众多发光材料里安全性和可靠性最好的的发光材料之一,在众多领域均具有重要应用前景。