紫罗精类化合物是一种具有优异氧化还原特性的阳离子型有机分子，在外加电压或光照的条件下，可经历两步可逆的单电子氧化还原，并伴随着明显的颜色变化。同时，紫罗精类化合物还能有效参与金属离子的配位，因而在电致变色、主客体识别、超分子自组装、太阳能转换和储能材料等领域都具有极为广泛的应用。在紫罗精骨架上引入主族元素（Si、Ge、P）来制备新型的紫罗精衍生物成为近年来提高紫罗精衍生物光电特性的重要方法，备受科研工作者的关注。然而目前报道的几例含主族元素的紫罗精衍生物都存在能隙较大、可见光吸收弱等问题，同时其氧化还原性质也都没有提升。这些问题极大地限制了此类材料在太阳能转化和储能相关光电领域中的应用。
西安交通大学前沿科学技术研究院的何刚教授课题组在以往的研究中发现，随着硫族元素原子的引入，有机共轭体系的HOMO能级明显上升，而LUMO能级变化不大，从而大幅度降低了体系的能隙。另外，将硫族元素引入有机共轭体系还能极大改善材料的氧化还原特性，将其用作有机钠离子电池电极材料可极大地提高有机电池的容量等性能。显而易见，将硫族元素的优势引入紫罗精衍生物的设计，必将解决阻碍紫罗精发展能隙太大的问题，同时还可以引入更多的氧化还原中心，进一步提高紫罗精衍生物氧化还原的特性，为紫罗精衍生物的应用提供新的空间。
基于上述的考虑，该课题组近期将硫族元素（S、Se、Te）引入紫罗精骨架中，成功制备了含硫族元素的紫罗精小分子衍生物，并将其命名为“Chalcogenoviologens”。研究发现，含硫族元素的紫罗精具有以下特性：（1）更刚性的骨架；（2）多个氧化还原中心，表现出非常丰富的电化学行为；（3）在保持很低LUMO能级的同时，极大地降低了体系的能隙（能隙降低至2.33 eV），光学吸收红移至可见光区（最大吸收波长达到491 nm）。含硫族元素的紫罗精成功应用于电致变色器件，表现出三种颜色的变化，同时基于电致变色器件原位监测其光谱电化学的特性为后续的深入研究奠定了基础。另外，含硫族元素的紫罗精在可见光催化的析氢反应中也表现出优异的性能，可同时作为光敏剂和电子转移剂，不仅大大简化了可见光催化析氢反应，而且还大幅度提高了可见光催化的效率。尤其是硒联紫罗精，由于具有特殊的能级结构，电子转移及转化成自由基的速率快，导致其析氢速率比碲联紫罗精快五倍以上。以上研究结果以论文的形式发表在Angewandte Chemie International Edition 上，西安交通大学前沿院的博士生李国平为论文的第一作者，西安交通大学前沿院为唯一通讯作者单位。这也是何刚教授课题组继2017年（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 15334）之后在含硫族元素杂环芳香烃领域研究的又一重要突破。
该研究工作得到国家“青年千人”项目和国家自然科学基金(21401148)、唐仲英基金会以及西安交通大学启动基金和西安交通大学分析测试共享中心的支持。
该论文的作者为：Guoping Li, Letian Xu, Weidong Zhang, Kun Zhou, Yousong Ding, Fenglin Liu, Xiaoming He, Gang He
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Narrow-Bandgap Chalcogenoviologens for Electrochromism and Visible-Light-Driven Hydrogen Evolution
Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201711761
何刚教授简介
何刚博士2005年在陕西师范大学化学与材料科学学院师从房喻教授攻读博士学位，主要从事新型荧光传感薄膜的创制及相关检测仪器的研制，并于2011年7月获得博士学位；同年10月，加入加拿大阿尔伯塔大学化学系Eric Rivard副教授课题组从事博士后研究工作，研究兴趣集中在含主族元素功能性共轭小分子及聚合物的开发及相关应用的探索；2014年4月，加入加拿大国家纳米技术研究所及阿尔伯塔大学著名表面化学家、美国化学会旗下材料化学期刊Chemistry of Materials主编（Editor-in-Chief）Jillian Buriak教授课题组从事博士后研究，从事表面化学及新型清洁能源的研究工作；2015年4月，加入西安交通大学前沿科学技术研究院担任教授；长期从事有机共轭小分子及高分子、主族元素化学及应用的研究，在相关领域积累了比较丰富的实践经验和理论知识，已在Chem. Rev.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Mater.、Macromolecules、Chem. Eur. J.、J. Mater. Chem.等国际知名期刊上发表学术论文40余篇，引用超过950余次；2015年独立建组以来，以通讯作者身份发表论文8篇，其中包括在国际著名期刊Angew. Chem. Int. Ed.上发表论文2篇。何刚教授课题组目前的研究领域为含主族元素有机杂环芳香烃及聚合物的合成及其在智能材料、光催化、有机电池及光动力抗菌等领域的应用。欢迎材料、化学、物理以及其他相关院系的学生报考。
何刚
http://www.x-mol.com/university/faculty/26904
课题组主页
http://gr.xjtu.edu.cn/web/ganghe
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