镧系离子掺杂的钪/钇基金属有机框架的合成及发光性能研究

This proposal aims to extend the design strategy of rare earth ions-doped inorganic luminescent materials to the lanthanide-doped metal organic frameworks (MOFs). Particularly, Y-MOFs and Sc-MOFs are selected as the carrier which could be doped with some lanthanide ions to realize the continuously tunable full-color emission. Controlled synthesis and luminescence property of rare earth luminescent materials have become one of the most attractive research topics in rare earth materials field. Rare earth ions-doped inorganic nanocomposites were found to be the very effective and important luminescence materials. However, some problems have severely limited the basic research and application of these inorganic materials, such as harsh reaction conditions, low yields, and small light absorption coefficiency. Therefore, it is quite significant to design a simple and highly efficient strategy to construct the rare earth luminescent materials. MOFs, which have characteristics of simple synthesis, stable structure, structural and functional diversity, are expected to solve some problems of lanthanide-doped inorganic materials. The distance between doped rare-earth ions can be adjusted by choosing different organic ligands, and ligands of MOFs could be involved in energy transfer. Meanwhile, the pores of MOFs can also accommodate the light-emitting guest molecules. These features could facilitate the synergistic reaction between Y-MOFs/Sc-MOFs and luminescent rare earth ion, which will further expand the application of light-emitting materials. The realization of this study could provide theoretical and experimental basis for the preparation of rare earth ions-doped luminescent materials.

本项目旨在将稀土掺杂无机发光材料的设计策略延伸至稀土掺杂金属有机框架（MOFs）中，选择Y-MOFs和Sc-MOFs作为载体并掺杂镧系离子调节出连续可调的全色光。稀土发光材料的设计合成及发光研究已经成为稀土材料领域的前沿与热点之一，稀土掺杂无机材料被发现是非常有效的一类上转换/下转换发光材料。然而，这类材料的合成条件苛刻、产率较低、吸光系数较小，这些严重限制了其基础研究及应用。因此，设计更简单易得且高效的稀土发光材料具有重要的意义。MOFs由于具有结构确定、合成简单、结构与功能多样等特点有望解决稀土无机材料存在的一些问题。MOFs框架中稀土离子间距离可以通过选择不同配体来调节，配体又可参与能量传递，同时MOFs孔道也可容纳发光客体分子，这些特点将促进Y/Sc-MOFs和稀土发光离子间的协同作用，也将拓展发光材料更多方面的应用。本项目将为制备简单易得的稀土发光材料提供理论和实验依据。

目前越来越多的研究人员关注可调谐激发/发射波长材料，制备在宽波长范围内具有多个发射峰的发光材料具有重要的意义。目前，这类材料主要集中在稀土发光材料和无机量子点材料。然而，无机稀土材料的发射峰受外轨道屏蔽作用和稀土离子固定能级的影响，发射峰位置是不可调控的；量子点的发光又太依赖尺寸影响，同时量子点具有重金属的高毒性和近红外区的环境敏感性等缺点。这些严重限制了这两类材料的发展，使得他们无法得到更广泛的应用。我们选择经典BODIPYs有机小分子作为研究对象，由于大多数BODIPYs具有聚集诱导猝灭（ACQ）现象，关于BODIPYs材料的固态发光研究的较少。近几年来，科研工作者通过用大的基团修饰经典BODIPY核合成了几例聚集诱导发红光的BODIPYs材料，以满足更多的应用需求。然而，在大多数情况下，只有J-聚集二聚体的发射被看到，并且发射通常受限在可见范围内，还没有其他聚集形式的BOIDPYs报道，如三聚体或甚至更大的J-聚集体的存在。本项目研究利用2/2,6-芳基取代的BODIPYs荧光染料，首次实现了从绿光到近红外光的多重荧光发射。令人惊奇的是，这些多重发射峰不仅可以被不同的激光光源照射产生，而且多重发射峰之间存在“多米诺”式的能量转移过程，使得这类材料的应用前景更为广阔。这一发现极大地丰富了人们对传统BODIPYs染料分子固态发光的基本认识，同时将促进科学家进一步探索BODIPYs和其他传统有机染料在其合适聚集态下的发射行为和机理。此外，该研究成果被新华日报、科技日报、国家自然科学基金委科普快讯等十几家新闻中心报道。