实验室秦安军教授团队：分子工程调控有机材料中的电子振动耦合实现高温太阳能光热转换

太阳能的利用对于解决能源危机具有重要意义，而太阳能光热转换在其中展示出了巨大潜力。作为实现光热转换的载体，新型光热材料的开发至关重要。近年来，有机光热材料因其出色的可加工性和生物相容性得到了广泛关注。然而，材料性能和应用的局限性阻碍了有机材料向更高光热温度的发展及其在太阳能转换领域的应用，其高温光热转化的机理还需要进一步阐述。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室的秦安军教授课题组利用乙炔基π桥扩展传统给受体型光热分子共轭结构，制备了一种D-≡-A-≡-D型材料BTDyA。相较于传统的D-A-D型分子BTDA，BTDyA表现出更宽的固态吸收光谱、更快的激发态衰减速率、更强的电子-振动/声子耦合，从而能更高效地将吸收的光子能量转化为分子振动能，表现出更高的光热温度。在户外聚光太阳光（18 suns）的照射下，BTDyA可以达到330°C，创造了已报道的有机太阳能光热材料中的记录，并被成功地应用于对无机盐的熔融，将太阳能转换为无机盐的相变焓，有望拓展有机高温太阳能光热转换材料在可再生能源转换和存储中的应用。

通过乙炔基π桥扩展给受体结构策略，BTDyA分子的摩尔吸光系数提高至26400 Lmol^-1cm^-1。此外，该材料还表现出更宽的固态吸收光谱，有助于其吸收更低能量的光子。值得注意的是，BTDyA在户外聚光太阳光（18 suns）的照射下可以达到330°C，创造了已报道的有机太阳能光热材料中的记录。在1064 nm激光照射下，它的光热温度还可进一步提升至377°C，而BTDA却不足60°C。为解释这种巨大差异，研究团队建立了一种能量衡算方法，证明了BTDyA在1064 nm激光下更为优异的光热转换性能源于其更强的光吸收能力和更高的光热转换效率。

图1 材料化学结构、吸收光谱、热稳定性以及太阳能-热能转换性能

对于光热转换机理，研究团队将有机固体中的光热转换细化为两个连续的过程：①光子的吸收与电子的激发，②激发态电子的振动耦合以及激发态能量向热能的转换，并利用瞬态吸收光谱和拉曼光谱进行了深入对比。结果表明，BTDyA表现出更宽的吸收光谱、更快的激发态衰减速率，并伴随更强的电子-振动耦合以及电子-声子耦合，从而能够高效地将光子能量转化为分子振动能，表现出更高的光热温度。最后，BTDyA被加工为光热涂层，在户外聚光太阳光照射下实现了对太阳盐的熔融，成功地将来自太阳的光能转换并储存在无机盐的相变焓中，凸显了其在可再生能源利用中的巨大潜力。

图2 瞬态吸收光谱及激发态衰减动力学曲线

图3 拉曼信号强度随激发光强度或温度的变化

相关研究成果以“Molecular Engineering of Vibronic CouplingEnables High-Temperature Solar–Thermal Conversion in an Organic Material”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上，其中通讯作者为秦安军教授，胡斌教授和湖南师范大学翟亚新教授，第一作者为徐赫博士生，共同第一作者为湖南师范大学刘宇瀚硕士和华南理工大学姜旭生博士生。该研究工作得到了国家自然科学基金（21788102，62522404，12421005）和广东省分子聚集发光重点实验室基金（2023B1212060003）等科研项目的资助。