【材料】同济大学闫冰Angew：σ-π超共轭作为高性能荧光共价有机框架的设计策略- 大数跨境

【材料】同济大学闫冰Angew：σ-π超共轭作为高性能荧光共价有机框架的设计策略

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2025-02-23

导读：同济大学闫冰教授团队通过在COFs中引入超共轭单元有效提高了其荧光强度，将其制作为光响应声音传感器件可以应用于智能化语言学习平台。

增强共价有机框架（COFs）的固态发光是一个艰巨的挑战，对基础理解和技术创新都具有深远意义。COFs高性能固体发光的实现为探索晶体多孔材料光学过程的基本原理提供了一个独特的平台，同时为下一代发光系统的合理设计建立了蓝图。这种进步有望重新定义COFs的功能景观，将其应用范围从催化、储存和分离扩展到传感、光电子学和生物医学应用，从而将基础研究与变革性技术应用联系起来。同济大学闫冰教授团队通过在COFs中引入超共轭单元有效提高了其荧光强度，将其制作为光响应声音传感器件可以应用于智能化语言学习平台。

图1. 材料表征

克服这一挑战的一个有前途的策略在于对COFs进行原子级调节。通过引入或修改功能基团，可以设计COFs以展示定制的光电特性、增强的催化活性或改良的生物相容性，从而实现具有精确功能的高性能材料的设计。这种方法不仅拓展了COFs的应用范围，还促进了融合化学、物理和工程学的跨学科研究。在这些创新策略中，将超共轭引入到COFs中显示出尤为引人注目但在很大程度上尚未被探索的概念。超共轭涉及σ键电子与相邻的p或π轨道之间的相互作用，它以增强分子稳定性和调节有机系统的电子特性而闻名。虽然其潜力在COFs的背景下仍未得到充分探索，但超共轭提供了一个改进COFs性能的变革途径，为材料设计和功能整合开启了新的可能性。

将σ-π超共轭引入COFs已被证明可以显著增强它们的荧光特性。实验研究表明，包含超共轭结构的COFs表现出明显更高的荧光强度和量子产率，相比于它们不包含超共轭结构的对应体。光物理研究揭示了σ-π相互作用降低了激发态跃迁的能垒，促进更有效的辐射复合并延长荧光寿命。理论分析进一步支持了这些发现，显示超共轭结构重新分配了电子密度并改变了COFs的电子结构。这种修改增强了电子耦合并促进了骨架内更有效的能量传递，从而实现了更优越的荧光性能。这些观点不仅推动了我们对COF光物理学的理解，也将超共轭结构定位为设计具有可调性能的先进发光材料的强有力策略。

图2. 材料的荧光性质及理论计算

此外，通过静电纺丝制备的基于COF的荧光声学传感器，与机器学习算法集成时展示出实时语音模式识别能力，展示了在语言辅助技术中的潜力。本研究探索了COFs中的超共轭作用，为精确调控光电性能提供了新的范式，并将基础研究与现实应用进行了桥接。

图3. 对声音的传感

最后作者设计了一种创新的语言学习平台，该平台将声学传感器麦克风集成在一起，以捕捉语音输入。这些声音信号随后转换为荧光响应，并通过机器学习算法实时处理，从而实现对语音特征的细致分析。

图4. 语言学习平台

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是同济大学博士研究生刘寅胜。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

σ-π Hyperconjugation as a Design Strategy for High-Performance Fluorescent Covalent Organic Frameworks

Yin-sheng Liu, Rui Xue, Kai Zhu, Bing Yan

Angew. Chem. Int. Ed., 2025, DOI: 10.1002/anie.202425436

同济大学化学科学与工程学院

二级教授、长聘教授闫冰

1992年、1995年在哈尔滨工业大学应用化学系获工学学士和工学硕士学位，1998年在中国科学院长春应用化学研究所获理学博士学位。1998年至2001年香港城市大学研究助理；北京大学、舍布鲁克大学博士后研究员。2001年11月为同济大学化学科学与工程学院教授、博士生导师。主要从事稀土化学、杂化材料、微纳固体与光物理器件、光响应传感、智能检测与仿生模拟识别的应用研究工作。其中在稀土光功能杂化材料领域有系统的研究成果，系国际上在该领域的代表性研究组。作为唯一通讯作者在被SCI收录的国际主流英文期刊发表学术研究论文600余篇，不完全统计所发表论文被SCI期刊他引近20000次，H因子75。撰写英文专著2部、撰写英文专著专章1章、中文专著专章1章。现为中国稀土学会稀土发光与稀土分子材料与超分子器件两个专业委员会委员。入选教育部2008年度新世纪优秀人才支持计划，入选Elsevier中国高被引学者榜单（材料科学，2014-2019年度；化学，2020-2023年度）。入选2017年度英国皇家化学会(RSC)中国高被引作者榜单。入选2022年度英国皇家化学会(RSC)全球高被引文章目录（前1%, ICF两篇论文之一）。已培养毕业博士生30名，硕士生62名（含14名硕博连读生）。

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