中国科大六月（上）科研进展

日前，中国科大物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心徐宁教授研究组在活性物质流变性质的研究中取得重要进展，相关成果于2024年6月6日在线发表在《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences）。

能够消耗自身或环境能量而自发运动的物质被统称为活性物质，生物体是活性物质的典型代表。由于活性物质是典型的非平衡体系，大量活性物质个体聚集在一起会呈现出非常丰富且奇特的群集运动行为，是目前软物质、生物物理、统计物理等学科关注的热点。徐宁教授研究组独辟蹊径地从新的视角开展了对活性物质的研究，提出了活性物质群集运动行为和另一个典型的非平衡体系—剪切体系具有相似性的新观点。活性物质和剪切体系能量输入的方式有显著的差别，建立两者之间的关联不是显而易见的事情。该研究组在国际上最早开展了两个体系的比较，得到了两者存在潜在关联的直接证据，相关结果发表在Soft Matter [Soft Matter 14, 853 (2018)、Soft Matter 16, 3642 (2020)]和Science Advances [Sci. Adv. 7，eabg6766 (2021)]上，并且引发了国际上其它研究组对相关问题的关注和研究。

在发表于《美国科学院院刊》的工作中，徐宁教授研究组系统比较了活性物质和剪切体系的流变性质，主要针对它们的稀释现象（即粘度随活性力或剪切应力增大而减小的现象）。剪切稀释是复杂流体的一种特殊的流变学行为，有非常广泛的应用，油漆、牙膏等就是典型的剪切稀释液。然而，对于以纯水为代表的牛顿流体，剪切应力的增大并不能改变水的粘度。2015年，Lopez等人实验发现[Phys. Rev. Lett. 115, 028301 (2015)]，在牛顿流体中加入大肠杆菌会显著降低溶液的粘度，甚至会造成粘度为零的类“超流”现象，该现象的发现引发了一系列后续的理论解释。徐宁教授研究组发现，活性物质的粘度随活性力的变化与剪切体系的粘度随剪切应力的变化有非常相似的行为，它们的稀释都源于原本形成逾渗的颗粒团簇被打破的微观机理；团簇被打破得越快，粘度下降得越剧烈。对于普通的牛顿流体，剪切作用只能使流体中的分子倾向于沿着剪切流场方向运动，由此形成逾渗团簇并一直维持，因此粘度无法随剪切应力变化。然而，活性物质的加入改变了这一局面。由于活性力的方向可以随机发生偏转，从而赋予了活性物质破坏逾渗团簇的能力，造成溶液粘度的下降。该工作给出了大肠杆菌造成类“超流”现象的可能解释，并且进一步丰富了活性物质和剪切体系存在潜在关联的证据，为非平衡体系的统一描述提供了更多的素材。

合肥微尺度物质科学国家研究中心的博士生莫若阳是该工作的第一作者，徐宁教授是通讯作者。这项工作得到了国家自然科学基金委的支持。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.2318917121

（物理学院 合肥微尺度物质科学国家研究中心 科研部）

随着全球能源需求的不断增长和环境问题的日益严峻，清洁能源技术的发展成为了科学研究的重要方向。在这一背景下，电催化剂作为电化学能源转换和储能技术中的核心组件，受到广泛关注。因此，电催化剂的设计与优化对于提升电化学反应的效率和选择性至关重要。然而，在原子或电子水平上解析催化剂的结构和控制催化反应的路径仍然是一个巨大挑战，极大地限制了电催化剂的基础研究和实际应用。对于电催化剂的设计而言，如何建立微观结构与宏观性能之间的构效关系则成为人们的追求目标。针对这一关键科学问题，中国科学技术大学国家同步辐射实验室闫文盛教授课题组基于多尺度的同步辐射技术开展了电催化剂的设计调控、微观结构和宏观性能三者之间内在联系的研究，取得了系列研究成果（Nat. Commun. 2022, 13, 2024；J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 18001-18009；Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 7251-7258；Nano Lett. 2022, 22, 6988-6996；ACS Catal. 2022, 12, 13475-13481；ACS Catal. 2022, 12, 4318-4326；ACS Energy Lett. 2022, 7, 3798-3806；ACS Catal. 2020, 10, 5691-5697.）近日，国家同步辐射实验室闫文盛教授课题组与其合作者在电催化剂的设计和调控等方面取得了新的研究进展。

1.“双面神”双原子催化剂在氧还原和析氧反应中的研究

双金属活性中心相邻的原子级分散的双原子催化剂有着独特的几何和电子结构，表现出比单原子催化剂更高的催化活性和选择性。然而，异核双原子催化剂的局域配位结构解析和多功能催化面临挑战。基于此，课题组通过同时调控阳离子金属中心和阴离子配位原子种类的策略，开发了一种具有不同配体的Fe-Co异核双金属位点的“双面神”催化剂（图1 ）。借助同步辐射X射线吸收谱（XAS）和同步辐射X射线发射谱（XES）谱学技术，结合多重散射理论计算，确认Fe和Co原子通过N-O桥连分别与N原子和O原子协同配位（FeCo-N3O3@C）。电化学性能测试表明FeCo-N3O3@C催化剂具有优异的ORR和OER双功能催化活性：ORR的半波电位为0.936 V；且在10 mA cm−2的电流密度下，OER的过电位为1.528 V。基于该催化剂组装的Zn-空气电池呈现出优于商业Pt/C+RuO2-ZABs的性能。综合利用同步辐射XAS、XES和傅里叶变换红外（SR-FTIR）谱学技术揭示了该催化剂所具有的高ORR和OER催化活性来自于Fe-N3单元和Co-O3单元之间强的电子相互作用。进一步结合第一性原理计算明确了这种强的电子耦合效应改变了Fe和Co原子d轨道的电子密度，优化了对中间体的吸附和脱附过程，从而加速了ORR和OER的反应动力学。这项工作为高性能新型双原子催化剂的合理设计和结构表征提供了新思路。研究成果近期以“A Janus dual-atom catalyst for electrocatalytic oxygen reductionand evolution”发表在国际著名学术期刊《自然-合成》上。Nat. Synth. 2024.DOI:10.1038/s44160-024-00545-1

图1 FeCo–N3O3@C催化剂的合成策略和结构表征。

2.掺杂效应打破C-N耦合中的线性关系，实现高效尿素电合成

如何打破C 或 N 中间体吸附能的内在线性关系，成为同时实现尿素高活性和高选择性合成的一项有价值但具有挑战性的工作。课题组设计双活性位点催化剂，使其作为不同官能团的反应中心，成为尿素合成中最有前途的一类电催化剂（图2）。在实验上，成功制备了一系列不同Co浓度的SrRuO3催化剂，合成的SrCo0.39Ru0.61O3-δ催化剂表现出优异的催化活性和选择性（尿素产量为1522 μg h-1mg-1，法拉第效率为34.1%），优于目前报道的大部分电催化剂。结合同步辐射XAS谱学和球差校正透射电子显微镜 (HADDF)元素分布表明Co占据Ru的晶格位点。径向结构函数拟合以及XPS表明Co的引入使得氧空位数量的增加以及Ru的4d电子态密度增加，可能会优化*NH2等中间的吸附强度。利用同步辐射XAS、傅里叶变换红外（SR-FTIR）谱学技术揭示了Co位点和Ru位点分别是*CO和*NH2中间体形成的活性位点。进一步结合第一性原理计算明确氧空位对Co和Ru位点电子结构的调控削弱了*CO和*NH2中间体的吸附，而对Co-Ru双位点施加的应变促进了两种单体之间的C-N偶联过程，并阻止了中间体直接分离产生副产物。该工作通过阐明SrRuO3掺杂效应与尿素合成电催化活性之间的关系以及应力Co-Ru双位点的选择性C-N偶联机制，为尿素合成电催化剂的设计以及相关电催化机理的理解提供了新的见解。研究成果近期以“Breaking the Scaling Relationship in C-N Coupling via the doping effects for Efficient Urea Electrosynthesis”发表在国际著名学术期刊《德国应用化学》上。Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401943.DOI:10.1002/anie.202401943

图2 SrCoxRu1-xO3-δ催化剂的结构表征。

3.单原子催化剂中金属负载量与酸性析氧反应活性之间“火山”型关系的研究

如何突破高金属负载量的原子级分散金属催化剂的制备是单原子领域的难题。同时，理解在高负载量下金属与金属之间的微观电子相互作用如何影响宏观催化行为对优化金属的覆载量至关重要。课题组通过简单的P锚定策略合成了一系列金属负载量为5%-21wt.%的Ir单原子催化剂（x-IrPN3@C，图3）。同步辐射XAS谱学阐明Ir-P配位结构的存在是实现Ir原子高负载量的内在原因。催化性能测试表明该催化剂的金属负载量和酸性OER催化活性之间的“正相关”关系不成立，而呈现出一个独特的“火山型”关系，其中位于中等金属负载量的14%-IrPN3@C催化活性最优。结合XAS、光电子能谱（XPS）和理论计算明确了金属负载量与酸性OER催化活性之间的“火山型”关系来自于活性位点的数量与高密度下活性位点本征活性降低之间的竞争。具体而言，当Ir负载量在一定范围内增加，会导致活性位点的数量增加，进而增强了OER催化活性。当Ir负载量持续增加并超过某个阈值时，相邻Ir原子之间相互作用增强，导致Ir的价态下降，最终降低了OER本征活性。此工作为设计更高效、更经济的单原子催化剂用于多种催化反应提供了理论指导。研究成果近期以“Investigation of the Relationship between Metal Loading and Acidic Oxygen Evolution Reaction Activity in Single-Atom Catalysts”发表在国际著名学术期刊《ACS 催化》上。ACS Catal. 2024, 14, 6, 3788–3797.DOI:10.1021/acscatal.3c06263

图3 x-IrPN3@C催化剂的结构表征。

论文链接：Nat. Synth. 2024.DOI:10.1038/s44160-024-00545-1

Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202401943.DOI:10.1002/anie.202401943

ACS Catal. 2024, 14, 6, 3788–3797.DOI:10.1021/acscatal.3c06263

(国家同步辐射实验室、科研部)

近日，中国科大微电子学院龙世兵教授课题组的五篇论文入选第36届功率半导体器件和集成电路国际会议（IEEE International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs，简称IEEE ISPSD）报告。IEEE ISPSD是功率器件领域最具影响力和规模最大的顶级国际学术会议，被认为是功率半导体器件和集成电路领域的奥林匹克会议，IEEE ISPSD 2024于今年6月2日至6月6日在德国举办。中国科大微电子学院郑柘炀特任教授和徐光伟特任研究员带队参加此次盛会。

图1.参会人员合照：郑柘炀教授（右二），徐光伟研究员（右一）。

本次入选的五篇论文工作如下：

1.氧化镓关键缺陷识别和抑制方法

为了制备高耐压氧化镓肖特基势垒二极管（SBD），发挥氧化镓材料的优势，高性能的功率二极管需要在衬底上外延生长低掺杂浓度的外延层作为承压区域。卤化物气相外延（HVPE）的方法结合了生长速度，晶体质量等优势，该方法成为了氧化镓外延生长的重要方式。但是由于生长速度过快，在生长过程中晶体内部容易产生部分无序或者孔洞，这些缺陷可能会对器件性能造成巨大影响。在这项工作中，通过微光显微镜（EMMI）的方式，识别了一种沿着（010）晶向的线型晶格缺陷为一种导致氧化镓SBD提前击穿的关键缺陷（图2）。通过开尔文探针及原子力探针的表征方式，揭示了该缺陷区域的电学特性：固定负电荷的聚集导致电场增大，从而造成漏电增大和提前击穿。此外，研究提出了通过高温氧气退火的方式，成功修复了该缺陷，减少了晶圆上缺陷的数目，并成功制备了高击穿氧化镓SBD。研究成果以“The Role of Line-shaped Defects in Premature Breakdown ofβ-Ga2O3Power Diode and Suppression by Oxygen Annealing”为题作为发表在IEEE ISPSD 2024上并作现场汇报，第一作者为博士生刘金杨。

图2.（a-c）线型缺陷的表面形貌及电学特性，（d）通过氧气退火改善缺陷后的器件击穿特性，（e）优化前后器件的漏电机制对比。

2.低漏电、高耐压的β-Ga2O3异质结势垒肖特基二极管

针对高电场下β-Ga2O3SBD器件肖特基结中心区域仍会引起较大的泄漏电流这一问题，引入了降低表面电场（RESURF）技术—结势垒肖特基结构。p-NiO被嵌入到肖特基中心表面以形成p-n结交替排列的β-Ga2O3HJBSD器件。得益于较强的RESURF效应，β-Ga2O3HJBSD器件表现出小于1 mA/cm2的极低的反向泄漏电流，并且击穿电压达到了2.7 kV以上。该β-Ga2O3HJBSD器件成功结合了SBD和HJD器件优势，兼具了低开启电压、低泄漏电流和高击穿电压的优异特性（图3）。研究成果以“2.7 kVβ-Ga2O3Heterojunction Barrier Schottky Diode with Low Leakage Current < 1 mA/cm2Based upon RESURF Effect”为题发表在IEEE ISPSD 2024上，第一作者为博士生郝伟兵。

图3. （a）垂直氧化镓HJBSD器件结构示意图，（b）提取SBD和HJBSDs器件的比导通电阻，（c）分别在正向导通电压2V（异质结导通之前）和3.5V（异质结导通之后）下提取SBD和HJBSDs的导通电阻，（d）SBD和HJBSDs器件的反向击穿特性对比。

3.高耐压氧化镓肖特基势垒二极管研究

近年来，基于β-Ga₂O₃的肖特基势垒二极管（SBD）研究迅速发展，并有望率先实现商业化。然而，目前器件的实际性能与理论极限尚有较大差距，有效的边缘终端设计对于提升器件性能至关重要。台面终端（Mesa）能够有效地将SBD边缘柱面结或球面结去除，使得整个器件呈现比较均匀的电场分布。然而，高电场在蚀刻台面侧壁的分布，以及干法刻蚀引起的表面电荷富集，可能存在额外泄漏电流和提前击穿的风险。基于此，课题组设计并制备了具有复合终端的高性能β-Ga₂O₃SBD（图4）。该复合终端（MJTE）将台面终端和渐变结终端拓展结构（JTE）相结合。台面设计避免了阳极边缘的峰值电场，而渐变多层P型氧化镍（NiO）的设计进一步有效调节了电场分布的梯度。通过TCAD仿真工具，该工作系统研究了电场分布与NiO厚度、台面深度和JTE长度之间的关系。结合优化参数，实际制备器件的击穿电压从738 V提升到2116 V，功率优值（PFOM）提高了七倍（从81.05到608.35 MW/cm2）。这项工作为提高β-Ga₂O₃SBD的性能提供了切实有效的解决方案。研究成果以“Improvedβ-Ga2O3Schottky Barrier Diodes Featuring p-NiO Gradual Junction Termination Extension within Mesa Structure”为题发表在IEEE ISPSD 2024上，第一作者为博士生韩照。

图4.（a）设计的β-Ga2O3MJTE-SBD器件结构示意图，（b）制备器件的扫描电子显微镜图像，（c）器件击穿特性统计分布结果，（d）该工作器件与国际已报道器件的性能对比。

4.低栅漏电氧化镓pn结-异质结场效应晶体管

基于p-NiO的β-Ga₂O₃异质结场效应晶体管在高功率和高频开关应用中显示出巨大潜力。然而在先前的研究中，基于p-NiO的β-Ga₂O₃异质结场效应晶体管存在寄生的栅源pn二极管，导致较大的栅极漏电电流，促使需要创新的解决方案。该工作中，针对β-Ga₂O₃异质结场效应晶体管（HJFET）的栅极击穿问题，通过引入NiOx/GaOx栅极堆叠结构，成功设计并制备了一种新型的pn结-异质结场效应晶体管PNJ-HJFET。这种结构显著提高了栅极击穿电压至14.2 V。PNJ-HJFET在25至250 ℃的宽温度范围内，表现出了优异的稳定性和极低的阈值电压偏移（图5）。此外，通过分析栅极漏电特性，揭示了PNJ-HJFET在不同温度下的导电机制，为β-Ga₂O₃HJFETs的栅极击穿问题提供了一种有效的解决方案。研究成果以“Enhanced Gate Breakdown inβ-Ga2O3HJFET through a NiOx/GaOxp-n Junction Gate Stack”为题发表在IEEE ISPSD 2024上，第一作者为博士后周选择。

图5.（a）氧化镓PN-HJFET器件和（b）氧化镓S/ohmic-HJFET器件结构示意图，（c）PN-HJFET器件的栅极电流-电压（IG-VG）特性，（d）在温度范围25-250℃下测量的PN-HJFET器件的栅极电流-电压特性，（e）IG-1000/T的Arrhenius曲线，（f）从图（e）提取的激活能EA。

5.千伏级氮离子注入氧化镓垂直晶体管

由于p型氧化镓的实现极具挑战，这在一定程度上限制了氧化镓增强型晶体管的实现方案。而受主掺杂可补偿氧化镓中的载流子，在氧化镓材料中实现电流阻挡层，这为实现增强型场效应晶体管提供了新的思路。氧化镓中形成电流阻挡层的主流方法包括氧气氛围高温退火、镁元素掺杂及氮元素掺杂。但在目前的研究中，电流阻挡层的漏电特性仍不理想，导致器件在关断状态下泄漏电流较高，容易造成器件的提前击穿。该工作采用氮离子注入的方法实现了电流阻挡层，并通过优化离子注入后的退火激活温度抑制了电流阻挡层的漏电。基于优化后的离子注入后退火工艺，该工作实现了击穿电压高于1 kV的U型槽栅垂直晶体管，与优化前的器件相比，其击穿电压有显著提高，初步展示了基于电流阻挡层的氧化镓垂直晶体管的潜力，如图6所示。研究成果以“1-kVβ-Ga2O3UMOSFET with Quasi-Inversion Nitrogen-Ion-Implanted Channel”为题发表在IEEE ISPSD 2024上，并获得大会唯一最佳海报奖（Best Poster Award），见图7，博士生刘琦和博士后周选择为该论文共同第一作者。

图6.（a）β-Ga2O3UMOSFET器件结构示意图，（b）不带电流阻挡层（CBL）和分别在1100℃、1150℃下退火的带CBL的测试结构的电流-电压特性，（c）UMOS A（1100℃退火）和（d）UMOSB（1150℃退火）器件的脉冲输出特性，（e）UMOS A（1100℃退火）和（f）UMOSB（1150℃退火）器件的击穿特性。

图7. 我校博士生刘琦获奖（最佳海报奖）颁奖现场。

以上五项研究成果得到了国家自然科学基金、中国科学院、科技委、广东省重点领域研究发展计划、中国科学技术大学青年创新重点项目的资助，同时得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心、信息科学实验中心的支持。

（微电子学院）

近日，中国科学技术大学高敏锐教授课题组报道在二氧化碳电还原反应中，铜催化剂的决速步因晶面不同而表现出显著差异，即在铜（100）晶面，C-C偶联是决速步，而在铜（111）晶面，*CO与水的质子化是决速步。利用主要暴露铜（100）晶面的催化剂，研究人员在中性介质中实现了72%的乙烯法拉第效率和工业级的部分电流密度，并稳定将CO2转化到乙烯超过100小时。相关成果以“Facet-switching of rate-determining step on copper in CO2-to-ethylene electroreduction”为题发表在国际著名学术期刊《美国科学院院刊》（PNAS2024,121(25):e2400546121）上。

利用可再生电能将CO2电化学转化制乙烯，在消除温室气体的同时，可实现高价值大宗化工产品乙烯的绿色合成，对于加快我国碳资源高值转化，实现双碳战略目标具有重要的推进作用。然而，由于存在法拉第效率低、反应速率低和机理复杂等问题，利用绿电还原CO2制乙烯等多碳化学品仍面临严峻挑战。目前，CO2→乙烯的反应途径仍存在争议，一个关键问题是C-C偶联还是*CO到*CHO的质子化是决速步仍无定论。阐明铜催化剂驱动CO2还原的决速步成为CO2电化学转化制乙烯进一步发展及最终走向产业化亟需解决的关键难题。

图1：铜催化剂的晶面决定CO2到乙烯转化过程的关键决速步

研究人员通过等离子体处理策略，在CuO纳米片上营造氧空位，该空位的存在调节了费米能级附近的态密度，带来较小的功函数。密度泛函理论计算预测，氧空位的存在有利于*CO吸附，促进催化剂还原过程中Cu（100）的形成。没有氧空位的CuO在还原过程中则倾向生成能量较低的Cu（111）晶面。电镜结果显示，还原处理后的样品保留母体催化剂形貌，高分辨透射电镜及电化学氢氧根吸附实验表明，所致得的两种催化剂表面分别以Cu（100）和Cu（111）为主。

研究人员对在流动池与膜电极体系中对催化剂进行了性能评价，结果表明，在500 mA cm⁻²条件下，Cu（100）为主要暴露晶面的催化剂的乙烯法拉第效率为72%（多碳产物法拉第效近90%），远高于Cu（111）为优势晶面的催化剂。

原位光谱及电动力学实验结果显示，在具有不同主体暴露晶面的样品上乙烯的生成具有不同的反应路径。Cu（100）为优势晶面的催化剂上*CO覆盖度更高、*CO吸附更强且以顶式吸附为主，乙烯转化的决速步是两个*CO的偶联过程；而在主要暴露晶面为（111）的催化剂上，乙烯转化的决速步发生的是*CO与H2O分子的质子耦合过程。密度泛函理论计算结果同样佐证了这一实验结果。

论文的通讯作者是合肥微尺度物质科学国家研究中心高敏锐教授，共同第一作者为中国科大博士研究生张玉才、博士后张晓隆、博士研究生吴志征。相关研究受到国家自然科学基金委杰出青年科学基金、国家重大科学研究计划、安徽省重点研究与开发计划等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2400546121

（合肥微尺度物质科学国家研究中心、科研部）

近日，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心张国庆教授团队报道发现了有机分子之间相互作用的新模式：即芳香酰亚胺与脂肪胺之间能够形成稳定的光诱导电荷转移复合物，并通过稳态和时间分辨的发射光谱，吸收光谱，质谱，顺磁共振谱等手段系统性研究该复合物的性质及形成过程，并证明了该复合物可用于光诱导聚合，二氧化碳光还原，紫外储能等领域。该成果以“Trapping Highly Reactive Photo-Induced Charge-Transfer Complex Between Amine and Imide by Light”为题发表在Chem上。

分子间的电荷转移是指电子从给体分子向受体分子的移动，是物质相互作用和化学反应中最重要的物理过程。在自然界中无处不在，在光合作用、呼吸作用等过程中扮演着不可或缺的角色；在有机合成、能量转化等领域中，电荷转移也有着广泛的应用。因此，解锁新的电荷转移机制对理解自然界中复杂的光化学光物理过程、开发高效的有机合成方法学和能量转化技术至关重要。

如果两个有机分子之间通过电荷转移发生强烈的相互作用，这一对分子通常被称为电荷转移复合物。有机电荷转移复合物一般可分为两类。一种是电子给体和受体在基态下发生相互作用，形成基态电子给体-受体复合物（EDAcomplex）；另一种是电子给体或者受体其中一方处于电子激发态，与处于基态的另一方发生相互作用形成激基复合物（exciplex），这类复合物在发光二极管、半导体和光伏器件等领域比较常见。激基复合物非常不稳定，随着复合物从激发态向基态衰减，通常在微秒内解离成基态的电子给体和受体分子。

理论上，通过合理地调控有机电子给体和受体分子的能级，构筑较高的结合能垒，可以实现两者在基态下不发生相互作用，而在电子激发态下，给受体对能够通过电荷转移发生相互作用，且在电子激发态褪去后即使在基态也能稳定。但是迄今为止，仅能通过激发态形成的基态有机电子复合物还没有被实现。张国庆教授课题组基于前期对酰亚胺类分子的光物理性质的研究，发现当以酰亚胺作为电子受体、三级胺为电子给体时，两者在室温下溶液中没有明显的基态相互作用，在光照条件下发生明显的相互作用，谱学特征与激基复合物类似，且在惰性气氛中这种新出现的复合物基态能够长时间稳定（图1）。

图1.光诱导电荷转移络合物（PCTC）的形成及调控

张国庆教授课题组首先选取了萘酰亚胺和三乙胺为模型化合物，通过测量萘酰亚胺和三乙胺混合体系光照前后的谱学性质确定了光诱导电荷转移复合物（PCTC）的存在（图2），并通过高分辨质谱、时间分辨光谱，改变萘酰亚胺分子的取代基、更换电子给体等手段，研究了PCTC的形成机制，证明了其确实需要通过激发态的电荷转移和之后电子激发态的褪激发才能形成。

图2.萘酰亚胺和三乙胺混合体系光照前后的谱学特征

课题组将该体系成功应用于丙烯酸酯类单体的光诱导聚合，二氧化碳的光还原，以及光能存储及释放方面，通过在黑暗条件下将光照时储存的光能释放，使得原本需要光照才能进行的过程在黑暗条件下也能进行（图3）。根据作者推测，通过电子激发态形成溶液中稳定的基态复合物这种分子间相互作用模式不应该仅局限于酰亚胺和胺分子之间，很有可能是一种比较普遍但是未被关注的相互作用，有望于在更多的分子结构中被发现并且能够用于新的光化学反应。

图3.酰亚胺和胺光诱导电荷转移络合物的应用

中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心张国庆教授和陈彪副教授为该论文的通讯作者；博士后黄文环为该论文的第一作者。该工作得到了中国科学技术大学量子科技创新计划、中国科学技术大学重要方向项目培育基金、国家自然科学基金等项目的资助。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929424002262

(合肥微尺度物质科学国家研究中心、合肥国家实验室、科研部)