少即是多：通过超稳定的供体-受体单线态自由基轻松提升高效的光热电转换效率

《Science China-Chemistry》：Less is better: facilely boosting highly efficient photo-thermal-electric conversion via ultra-stable donor-acceptor singlet diradicals

高效稳定的二自由基有机光热材料及其应用研究。通过D-A效应与吸收储库放大策略合成了四个D-A-D型二自由基化合物，表现出超高热稳定性（456℃）和光稳定性（200℃/2h）。TPA-H在808nm激光下光热效率达259℃，太阳能蒸发效率1.435kg/m2·h，并实现光热-电能转换（224mV）。其纳米材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有完全杀菌效果。

　　

摘要

含有自由基的有机材料的稳定性是潜在光热应用面临的最大挑战之一，因为自由基的高亲电性导致它们寿命短暂且不稳定。目前，易于获取且具有极高稳定性的开壳层自由基光热材料因其优异的化学/热/光稳定性而备受关注。本文设计并合成了四种含有供体-受体-供体（D-A-D）结构的自由基衍生物，分别为TPA-H、TPA-BF2、Ph-TPA-H和Ph-TPA-BF2，这些化合物具有较大的平面共轭结构。实验结果表明，它们具有优异的性能：高吸收率（ε高达1.51×10^5 M^-1 cm^-1）、良好的热稳定性（Td高达456°C）、高光稳定性，以及在恶劣条件下的超稳定电子顺磁共振（ESR）信号（在空气中200°C下放置2小时或在沸水中放置2小时）。其中，两种前体化合物（TPA-H和Ph-TPA-H）由于合成步骤较少、分子量较低且化学结构较为简单，因此表现出显著提升的光热性能。飞秒瞬态吸收光谱显示，这四种化合物的激发态寿命均小于40 ps，从而促进了通过非辐射衰变实现高效的光热转换。特别是TPA-H在808 nm激光照射（1.0 W cm^-2）下表现出最佳的光热转换效率，达到259°C；同时具有优异的太阳能驱动水蒸发能力（1.435 kg m^-2 h^-1），以及在1太阳光照下的蒸发效率（η）为98.6%，是性能最佳的纯有机光热材料之一。此外，还研究了其多种应用，包括光热-电转换（最大电压为224 mV）、水-电联产以及海水淡化。另外，TPA-H纳米颗粒还被用于光热抗菌研究，成功杀死了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。本研究开发了一种简便的方法，用于制备超稳定的含自由基有机光热材料，以应用于高性能的光热-电转换领域。

含有自由基的有机材料的稳定性是潜在光热应用面临的最大挑战之一，因为自由基的高亲电性使得它们寿命短暂且不稳定。目前，易于获取且具有极高稳定性的开壳层自由基光热材料因其优异的化学/热/光稳定性而受到越来越多的关注。本文设计并合成了四种含有供体-受体-供体（D-A-D）结构的自由基衍生物，分别为TPA-H、TPA-BF2、Ph-TPA-H和Ph-TPA-BF2，这些化合物具有较大的平面共轭结构。实验结果表明，它们具有优异的性能：高吸收率（ε高达1.51×10^5 M^-1 cm^-1）、良好的热稳定性（Td高达456°C）、高光稳定性，以及在恶劣条件下的超稳定电子顺磁共振（ESR）信号（在空气中200°C下放置2小时或在沸水中放置2小时）。其中，两种前体化合物（TPA-H和Ph-TPA-H）由于合成步骤较少、分子量较低且化学结构较为简单，因此表现出显著提升的光热性能。飞秒瞬态吸收光谱显示，这四种化合物的激发态寿命均小于40 ps，从而促进了通过非辐射衰变实现高效的光热转换。特别是TPA-H在808 nm激光照射（1.0 W cm^-2）下表现出最佳的光热转换效率，达到259°C；同时具有优异的太阳能驱动水蒸发能力（1.435 kg m^-2 h^-1），以及在1太阳光照下的蒸发效率（η）为98.6%，是性能最佳的纯有机光热材料之一。此外，还研究了其多种应用，包括光热-电转换（最大电压为224 mV）、水-电联产以及海水淡化。另外，TPA-H纳米颗粒还被用于光热抗菌研究，成功杀死了金黄色葡萄球菌和大肠杆菌。本研究开发了一种简便的方法，用于制备超稳定的含自由基有机光热材料，以应用于高性能的光热-电转换领域。