实验室李远研究员团队：空气中200℃稳定的“给体-受体”型双自由基实现高效光-热-电转换

有机双自由基材料因其开壳电子自旋基态、窄带隙、宽光谱吸收等独特性质，在光热转换和有机光电器件等领域极具应用潜力。源于1907年的Chichibabin类双自由基基于恢复芳香性而产生双自由基，但是这些分子在空气中易发生氧化、自聚等反应，光、热、电化学稳定性差；同时，其合成步骤繁琐，需复杂的分离纯化，难以在单一材料中同时实现宽光谱吸光、高光热稳定性及宏量制备，严重制约该类材料的实际应用，开发空气中稳定的双自由基是该领域的核心挑战之一。

自2017年起，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室李远研究员团队首次报道了 “给体-受体（D-A）双自由基” 策略（Journal of Physical Chemistry C, 2017,121, 8579-8588,Nature Nanotechnology, 2024, 19, 978-985，Science, 2025, 389, 195-199）及其“聚集诱导自由基机理”(AIR，Journalof Physical Chemistry Letters, 2021, 12, 9783-9790)。本研究报道了四种 D-A 型双自由基化合物（TPA-H、TPA-BF₂、Ph-TPA-H、Ph-TPA-BF₂），其中TPA-H和Ph-TPA-H 仅需重结晶即可纯化，且材料兼具超高稳定性，在空气中200℃或沸水处理2小时ESR信号稳定、热分解温度高达456℃，同时展示出优异光热性能，在808 nm激光下加热60秒温度达259℃，太阳能水蒸发效率达98.6%。

当前，有机双自由基光热材料的核心挑战是 “稳定性-光热转换性能-合成简便性” 三者难以同时实现。华南理工大学汪凌云教授课题组以高摩尔消光系数的吡咯并吡咯氰（PPCy）为平面电子受体，三苯胺（TPA）为电子给体，经简单缩合反应合成TPA-H、Ph-TPA-H，再经络合反应得到TPA-BF₂、Ph-TPA-BF₂。发光材料与器件全国重点实验室李远研究员课题组、汪凌云教授课题组与北京邮电大学匡卓然副教授合作开展了双自由基基态性质、光热转换应用、理论计算及激发态方面的研究。

双自由基的稳定性源于：1）分子的AIR效应增强稳定性；2）TPA转子与叔丁基的空间位阻效应；3）PPCy受体的大π共轭结构实现自由基电子离域，降低局部自旋密度。飞秒瞬态吸收光谱显示四种化合物激发态寿命均短于40 ps，荧光量子产率低于1%，光激发态能量主要转化为热能；基于上述性质，研究团队进一步拓展了材料潜在应用研究。将化合物负载于低导热聚氨酯泡沫构建光热水蒸发装置，性能最优化合物的水蒸发速率达1.435kg m⁻² h⁻¹，蒸发效率为98.6%，用于海水淡化时可将金属离子浓度降至50 ppm以下，满足 WHO饮用水标准。结合塞贝克效应设计光热-电转换装置，最高输出电压达 224 mV，实现热能的二次利用；此外，通过两亲性聚合物封装制备的TPA-H纳米颗粒，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的根除浓度分别低至12.7 μg/mL和25.5 μg/mL，且生物相容性良好，为生物医学抗菌提供了潜在方案。

图1 自由基的稳定性调控、利用“聚集诱导自由基（AIR）”机制稳定自由基的“给体-受体”双自由基的研究；给体-受体-给体型双自由基的合成路线及其在本研究中的多场景应用潜力探索

相关研究成果以“Lessis Better: Facilely Boosting Highly Efficient Photo-thermal-electric Conversionvia Ultra-Stable Donor-acceptor Singlet Diradicals”为题发表在Science China Chemistry上，其通讯作者为华南理工大学李远研究员、汪凌云教授及北京邮电大学匡卓然副教授，第一作者为硕士生赖碧虹及肖耀华。该研究得到国家自然科学基金（22071065、22375065）、国家重点研发计划（2024YFB3612400）等项目资助。

原文链接：https://www.sciengine.com/doi/10.1007/s11426-025-3084-7