窄能隙、多氧化还原中心的含硫族元素紫罗精衍生物的制备及光电应用研究

Viologen derivatives have attracted considerable attention from the chemical community at large because of their widespread use in the electrochromic device, organic batteries, visible-light-driven catalysis, supramolecular chemistry and so on. How to construct a versatile and efficient synthetic method to prepare novel viologen derivatives with unique properties, is a research focus of viologen research fields. In this project, we try to introduce the chalcogen elements into viologen to prepare the chalcogenoviologen. The chalcogenoviologen derivatives with narrow band gap and multiple redox centers will be synthesized via different methods. The opto-electronic properties and device performances of chalcogenoviologen derivatives will be carefully studied. We believe that exploring high-performance electrochromic device, photocatalysis and organic batteries based on these materials, will expand the research field and lay a solid foundation for the application of chalcogenoviologen derivatives.

紫罗精及其衍生物由于独特的光电及物理化学性质，在有机光电器件、储能材料、光催化及超分子化学等领域都有重要的科学价值和应用前景。建立简单高效的合成策略，制备性能优异的紫罗精衍生物是目前研究的一个热点。结合课题组研究基础，本项目旨在将硫族元素与紫罗精两者优势相结合，发展窄能隙、多氧化还原中心的含硫族元素紫罗精衍生物并拓展其应用。通过合成不同的吡啶类前驱体及采用不同的离子化方式，制备窄能隙、多氧化还原中心的含硫族元素紫罗精小分子、寡聚物及聚合物；深入研究所得材料的光学、电化学等基本物理化学性质，探索此类材料在电致变色器件、可见光催化、有机锂/钠离子电池中的应用，明确分子结构与其光电化学应用性能的构效关系，为该类材料的高性能化和实用化奠定基础。

紫精（Viologen, 也称紫罗精）及其衍生物由于独特的光电及物理化学性质，在有机光电器件、储能材料、光催化及超分子化学等领域都有重要的科学价值和应用前景。针对紫精自身共轭程度低、氧化还原中心少的缺点，提出了将硫族元素与紫精骨架相结合来发展窄能隙、多氧化还原中心的含硫族元素紫精并拓展其创新应用的设计思路。研究团队经过4年的努力，取得了一定的成果：（1）通过苯环的扩环和N-芳基化反应制备结构新颖的设计制备了一系列含硫族元素紫精小分子/聚合物，建立了高效、普适的含硫族元素紫精衍生物的合成方法，从机理上明确了反应适用性问题。（2）深入阐明了含硫族元素紫精衍生物性质与结构的构效关系，精确调控了紫精衍生物光电特性，为后续的应用奠定了基础。（3）基于所发展的含硫族元素紫精，将其作为光敏剂及电子转移剂，实现了高效的光催化产氢；将其作为功能层，制备了廉价、高效、多色变化的电致变色器件；将其作为光敏剂，实现了高效的光动力抗菌及抗癌；将其作为电解液，成功发展了大容量的中性水系有机液流电池。在本项目的支持下共发表论文31篇，包括J. Am. Chem. Soc. （3）、Angew. Chem. Int. Ed.（4）、CCS Chem. (2)等。授权发明专利5件。在本项目的支持下，一系列研究成果不仅极大地丰富了紫精衍生物的类型，拓宽了紫精相关的有机光电材料研究领域，而且切实推动了智能变色材料、可见光催化以及有机储能等相关领域的发展，具有丰富的科学内涵与重要的研究意义。