華南師范大學陳旺橋課題組聯(lián)合中山大學劉佰全課題組和香港城市大學張其春教授首次報道了兩種新型雜原子摻雜（O和S）多環(huán)芳烴化合物（BTF和BTT）的合成、表征和基本理化性質研究。它們的單重態(tài)裂分（Singlet Fission，SF）研究表明，BTT的效率比BTF高兩倍，而BTT的三重態(tài)生成時間比BTF更慢，表明硫原子的引入對SF過程有顯著影響。
SF是一個分子中的激發(fā)單重態(tài)S1與另一個相鄰分子的基態(tài)S0相互作用形成三重態(tài)-三重態(tài)耦合的中間態(tài)（TT），最終轉變?yōu)閮蓚€三重態(tài)T1。因此，可以通過每吸收一個光子產生一個額外的激子來提高太陽能的利用效率。從理論角度看，單重態(tài)裂分需滿足以下兩個基本條件：2E(T1) ≤ E(S1)和2E(T1) ≤ E(T2)。目前，只有少數幾類化合物符合上述標準，它們包括四并苯、五并苯、苝二酰亞胺類材料等，有限的SF材料極大地阻礙了對SF現(xiàn)象的進一步探索。理論研究表明，在四并苯和五并苯的共軛骨架上引入噻吩環(huán)將影響它們的激發(fā)態(tài)能級和與SF相關的原始前沿分子軌道。因此，對于稠合苯并噻吩結構，具有（β，β）連接模式的硫原子摻雜的多并芳烴化合物會增強SF的熱力學驅動力，但迄今為止尚未有（β，β）連接噻吩多環(huán)芳烴化合物SF研究的報道?；诖?，該研究制備了這種分子和異呋喃衍生物并研究了它們的SF性質。 化合物S3與1,4-二苯基-2-丁烯-1,4-二酮通過[4+2]環(huán)加成反應生成中間體TM-4C=O。TM-4C=O分別在四氫鋁鋰和勞森試劑的作用下可以進一步轉化為苯并異呋喃衍生物BTF和苯并異噻吩衍生物BTT。理論計算表明，BTF和BTT的S1能級分別為2.03 eV和1.96 eV，T1能級分別為0.72 eV和0.56 eV，ΔESF值分別為–0.59 eV和–0.84 eV，因此，BTF和BTT都是熱力學適用的SF材料。
瞬態(tài)吸收光譜表明，BTT膜顯示出比BTF膜更強的三重態(tài)瞬態(tài)信號，當通過在450-650 nm的波長范圍內積分三重態(tài)信號來比較它們的相對效率時，可以發(fā)現(xiàn)從BTF膜到BTT膜，單重態(tài)裂變效率提高了2倍。盡管BTF和BTT膜的標準化S1動力學幾乎相同，但與BTF膜相比，BTT膜中三重態(tài)生成的上升時間要慢得多。這些過程可能與擴散控制的分子間相互作用有關，其詳細機制仍在進一步研究中。 論文信息 Synthesis, Characterization and Singlet Fission Behaviors of Heteroatom-Doped Polycyclic Aromatic Hydrocarbons with (β, β) Connected Furan/Thiophene Ring Wenting Huang, Meizhen Qiu, Prof. Fei Yu, Prof. Jiawen Chen, Xiaojun Li, Dr. Qi Wei, Prof. Guichuan Xing, Prof. Bo Wu, Prof. Wangqiao Chen, Prof. Qichun Zhang Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202203947
