结构可控的新型多重变色复合材料的制备及性能研究

This project aims to construct a series of novel organic-inorganic hybrid photoelectric materials, in which organic units with the ions-modulating photochromism are integrated to inroganic electrochromic materials by means of covalent modification. The molecular structures of materials will undergo reversible transformation upon alternative light irradiation and electric current, along with remarkable changes on the spectra and color. Such controlled spectral and color changes can be achieved by incorporating photochromic and electrochromic properties into a single platform in which chromogenics are driven by ions and light irradiation, as well as electric current. So such hybrid materials can serve as photo-, electro- and ions-controlled multichromophoric materials with configurable structures. In addition, the mechanism behind the response of materials to light, electric current and ions will be fully interpreted by a variety of means, including theoretical simulations. The organic-inorganic hybrid materials with excellent photoelectric properties will be selected to prepare molecular devices. The physical and chemical properties of the molecular devices will be investigated in detail. These work paves a new way for future development of multifunctional ions-modulating optic/electronic-responsive switching capable of being applied in the field of energy conversation, environmental protection and nanoscale logic devices.

本研究创新构建一系列新型有机-无机复合光电材料，将具有离子调控变色性能的有机光致变色体系以共价键修饰的方式引入到性能优异的无机电致变色材料中，用光化学、电化学的方法驱动材料发生分子结构的可逆变化，进而调谐材料的光谱、颜色等。实现在单一体系内光致变色与电致变色的有机结合，以及由加入离子来驱动材料的变色行为，从而使材料能够进行复杂的可控制的光谱和颜色变化，即获得了结构可控的具有光致变色、电致变色和离子致变色的多重变色复合光电材料。并且，通过理论模拟计算等手段来研究此类材料在光、电、离子作用下的变色机制。筛选出部分高性能复合材料，尝试制备其分子器件并研究器件的物理化学性质。这些工作可为设计具有离子调控变色性能的多功能光电分子开关材料提供重要的参考价值，并为其将来在节能、环保、纳米级逻辑设备等领域的应用打下良好的基础。

新型高性能光电开关材料的研究，尤其是具有可控刺激响应和多通道信号输出特性的可控开关材料的研究，已成为当今世界重大科学技术领域的前沿课题之一。本项目系统地探讨将具有离子调控变色性能的有机二芳基乙烯分子以共价键修饰的方式引入到无机杂多酸类电致变色材料，发展新型的具有多重调控变色机制的复合光电材料。首先重点关注分子识别基团的设计，制备了一系列具有离子调控变色能力的二芳基乙烯光致变色分子材料。通过量子化学计算探究光致变色分子与光物理化学性能之间的构效关系，重点关注二芳基乙烯材料的结构对热稳定性的影响，筛选并设计得到性能优异的光致变色分子材料。进一步选取合适的无机锰-安德森型（Mn-Anderson type）杂多酸类电致变色材料，并对其表面进行功能化修饰，将有机分子以共价键负载于无机材料表面，制备了结构可控的有机-无机复合材料。发现复合材料具有多重输入和输出特性，即可以用光、电和离子来驱动材料发生光谱和颜色变化，实现在单一体系内光致变色与电致变色的有机结合。项目执行期间，取得多项创新性成果，如首次发展了基于席夫碱（Schiff Base）的离子门控光致变色材料并合理提出了全新的门控机制，首次发明经济制备基于呋喃的二芳基环戊烯的新方法并实现了材料强荧光和无生物毒性，设计合成了在单一体系内实现光、电流和离子共同调控颜色、吸收和荧光的新型材料等。该项目通过实施，本人负责项目的设计、具体实施和论文的撰写。已在Chem. Commun.、J. Mater. Chem. C、Langmuir、J. Phys. Chem. A等国际主流有影响的学术刊物上发表了相关工作9篇学术论文，其中SCI收录8篇，申请4项中国发明专利，并且2项中国发明专利已授权。这些研究成果的取得，为新型多重变色有机无机复合材料的制备及性能研究奠定了重要的实验基础并提供了一定的理论依据。