研究進展匯總：黃維院士與他的研究團隊

人物簡介

發表的研究成果：

1.論文：動態共振有機長余輝材料

南京郵電大學的黃維院士和陳潤鋒教授課題組（共同通訊）繼2015年首次報道有機長余輝材料（Nat. Mater.?2015, 14, 685）之后，利用共振結構獨特的動態自適應性，有效地調整自身結構，從而實現對材料的基態、激發態能級以及躍遷成份的調控，開發了兩種具有N-P=O/N-P=S結構的新型長余輝材料。通過理論計算研究表明，與具有N-P結構的分子相比，基于N-P=O/N-P=S共振結構的分子具有可調節的單線態—三線態能級，可有效地減小實時的單線態—三線態能級差（Real-time ΔE_ST）以及動態可調的躍遷成份，因此具有更多的系間竄越通道以及顯著增強的自選軌道耦合效應，可有效地促進系間竄越（Intersystem Crossing, ISC）的發生，從而獲得高的三線態激子濃度。其次，利用分子中引入的相對平面的共軛結構，構筑有效的H聚集（H-aggregates），穩定高度活潑的三線態激子，繼而實現高的余輝發光效率以及長的發光壽命。開發的余輝材料最長壽命為0.67 s，系間竄越速率高達10⁷?s^-1，發光效率為4.0%，這一結果突破了余輝材料壽命和效率不能同時提高的矛盾問題。這一成果近期發表在Advanced Materials (10.1002/adma.201803856)上，并被選為當期的內封面，文章的第一作者是南京郵電大學博士畢業生陶冶。

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201803856

2.論文：取向準二維鈣鈦礦用于高性能光電器件

南京工業大學黃維院士、王建浦教授(共同通訊作者)等利用3-溴苯甲胺碘(3BBAI)制備了高效且水穩定的準二維鈣鈦礦太陽能電池，其功率轉換效率(PCE)達18.20 %，并在Adv. Mater.上發表了題為“Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices”的研究論文，博士研究生楊榮和李仁志副研究員為共同第一作者。未封裝器件在相對濕度40%的大氣環境放置2400 h后，效率仍保持初始值的82%以上，并且浸入水中60 s后光伏參數幾乎不變。鈣鈦礦太陽能電池的優越性能應歸因于具有疏水性、高度電子有序性、高結晶度的準二維鈣鈦礦薄膜。該薄膜上層是高度取向生長的三維鈣鈦礦組分，其較小的帶隙和低的激子束縛能可實現低能太陽光子利用和高效電荷分離，而薄膜底部是豎直生長的寬帶隙鈣鈦礦組分，有利于實現高效的電荷傳輸。此外，由于抑制了非輻射復合，該器件也能作為發光二極管(LED)很好的工作，可達3.85 %。大氣環境下，未封裝器件在200 mA·cm^-2的高電流密度下工作壽命約96 h。

文獻鏈接：Oriented Quasi-2D Perovskites for High Performance Optoelectronic Devices (Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201804771)

3.論文：基于自發形成的亞微米級結構的鈣鈦礦發光二極管

南京工業大學黃維院士（目前單位西北工業大學）和王建浦教授（共同通訊作者）團隊的帶領下，與浙江大學、南京郵電大學和西北工業大學合作，展示了溶液加工的鈣鈦礦的高效和高亮度電致發光，自發形成亞微米級結構，它能有效地從器件中提取光，并保持與波長和視角無關的電致發光。這些鈣鈦礦是通過在鈣鈦礦前驅體溶液中加入氨基酸添加劑而形成的。此外，添加劑可有效鈍化鈣鈦礦表面缺陷并減少非輻射復合。鈣鈦礦LED具有20.7％的峰值外量子效率（電流密度為18mA/cm²），能量轉換效率為12％（在10mA/cm²的高電流密度下），接近性能最佳的有機LED的價值。相關成果以題為“Perovskite light-emitting diodes based on spontaneously formed submicrometre-scale structures”發表在了Nature上。

文獻鏈接：Perovskite?light-emitting?diodes?based?on?spontaneously?formed?submicrometre-scale?structures（Nature,2018,DOI：10.1038/s41586-018-0576-2）

4.論文：通過分子自組裝增強超長有機磷光材料的發光效率和磷光壽命

南京工業大學黃維院士和安眾福教授（共同通訊）通過三聚氰胺和芳香羧基在水溶液中的自組裝制備了超長有機磷光材料。通過多種分子間相互作用形成的超分子框架，可以構建剛性很強的三維網絡將原子固定在其中，在有效減少三線態電子非輻射躍遷的同時，促進系間竄越。所獲得超分子有機框架可實現長達1.91秒的發光壽命和24.3%的磷光量子效率。該成果以題為"Simultaneously Enhancing Efficiency and Lifetime of Ultralong Organic Phosphorescence Materials by Molecular Self-assembly"發表在J. Am. Chem. Soc.上。

文獻鏈接：

Simultaneously Enhancing Efficiency and Lifetime of Ultralong Organic Phosphorescence Materials by Molecular Self-assembly

?(J. Am. Chem. Soc., 2018, DOI: 10. 1021/jacs.8b03867)

5.論文：鉛鹵化物鈣鈦礦在電致發光的新進展

新加坡南洋理工大學的岑子健教授和南京工業大學的黃維教授（共同通訊作者）近日在NATURE COMMUNICATIONS上發表了題為Transcending the slow bimolecular recombination in lead-halide perovskites for electroluminescence的文章，報到了他們在鉛鹵化物鈣鈦礦上的最新進展。從微觀載流子動力學角度清晰闡明了常規金屬鹵化物鈣鈦礦材料運用在發光二極管中存在的發光效率瓶頸。通過飛秒超快光譜研究，提出如何通過調控鈣鈦礦的維度來克服這個機理上的瓶頸，從而實現高效率的鈣鈦礦發光二極管。該研究成果為實現高效低成本的新型鈣鈦礦發光二極管奠定了理論基礎。

原文鏈接：Transcending the slow bimolecular recombination in lead-halide perovskites for electroluminescence(Nat. Commun., 2017，Doi:10.1038/ncomms14558)

6.論文：通過分子層內π-π相互作用構建氫鍵有機芳香骨架用于獲得超長磷光

南京工業大學黃維院士和安眾福課題組，通過分內子層π-π相互作用成功構建出具有不同孔徑的氫鍵有機芳香骨架（HOAFs）。所制備的HOAFs首次在室溫空氣中實現了超長有機磷光發光，也就是有機長余輝發光。其中，PhTCz-1的黃色熒光壽命達79.8?ms，在停止激發后可觀察到持續幾秒長余輝發光。而PhTCz-2和PhTCz-3，由于氧氣的猝滅作用，其長余輝現象只能在氮氣中觀察到，鑒于此特性可被用來檢測氧氣。該工作拓展了無金屬有機磷光材料的體系。同時，該類新型的HOAFS材料還有高的熱分解溫度，這也為設計新型高溫穩定的HOFs提供了新的思路。該成果以題為"Hydrogen-Bonded Organic Aromatic Frameworks for Ultralong Phosphorescence by Intralayer π-π?Interactions"發表在Angew. Chem. Int. Ed.上。

文獻鏈接：Hydrogen-Bonded Organic Aromatic Frameworks for Ultralong Phosphorescence by Intralayer π-π?Interactions. (Angew. Chem. Int. Ed., 2018,?DOI: 10.1002/anie.201800697)

7.論文：用于多色噴墨可復用紙中的活性金屬配體配合物的研究

西北工業大學黃維院士，南京郵電大學趙強教授(共同通訊作者)在Nat. Commun.上發表了題為“Dynamic metal-ligand coordination for multicolour and water-jet rewritable paper”的文章。研究并探討了如何利用動態金屬配體相互作用的可逆性來實現可擦寫紙的制備，并突破了目前的限制。研究了含有三聯吡啶配體的聚合物薄膜在濾紙上的涂層，其上可以使用不同的金屬鹽水溶液（MSAS）作為可與配體配位的油墨重復涂覆多色圖像，結果發現打印的圖片可以保留6個月以上，用四丁基氟化銨（TBAF）可以方便地擦除金屬 - 配體配位鍵。通過將水響應型發光鋅絡合物引入成像層中，制造了另一種可以通過使用純水作為墨水來記錄信息的可復寫紙張，水是一種綠色資源，因此開發水噴印可擦寫紙具有重要意義，此應用將是實現具有長保留時間的多色水噴印的有希望的方法。

文獻鏈接：Dynamic metal-ligand coordination for multicolour and water-jet rewritable paper（Nat. Commun., 2017,DOI: 10.1038/s41467-017-02452-w）

8.論文：無后處理、無摻雜二芳基芴類納米分子作為柔性p-i-n型鈣鈦礦太陽能電池的空穴傳輸材料

南京工業大學黃維教授(通訊作者)等人在Nano Energy 上發表題為“Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells”的文章。研究團隊設計了兩組二芳基芴類HTM，TPA或者9-NPC作為鏈臂，C8或者C6Cz為側鏈，分別命名為MC8-TPA, MC8-9-NPC，MC6Cz-TPA和MC6Cz-9-NPC。這些材料在普通有機溶劑中有很好的溶解性，旋涂而成的薄膜界面光滑，疏水性好，在ITO上不需后續熱處理即表現完全結晶態。在二芳基芴類HTM上制備的鈣鈦礦薄膜比在PEDOT:PSS上的晶粒更大，約為300nm。器件的最高效率達到13.85%，柔性鈣鈦礦電池最高效率為9.09%。

文獻鏈接：Diarylfluorene-based Nano-molecules as Dopant-Free Hole-transporting Materials without Post-treatment Process for Flexible p-i-n Type Perovskite Solar Cells（Nano Energy,2017,DIO:10.1016/j.nanoen.2018.01.005)

9.論文：沾上水能發光的二維柔性顯示器

南京工業大學黃維院士，北京大學深圳研究院孟鴻教授和德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman教授（共同通訊作者不區分順序）等人研究了一種基于極化電極橋接的柔性顯示器，構建了利用光信號的遠距離感應器。該研究發表于 Advanced Materials, 題為 “Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically”。研究人員設計了一種新型結構的發光器件，這種器件主要由四個部分構成，分別是，一對平行疊加或者并排分布的電極，發光層，介電層以及一個可調控的電極層。通過選擇不同的極化材料或者導電薄膜，實現了該電極層的可控。這種新型結構不僅簡單，利于大規模制造，更為重要的是，與傳統意義上的發光器件相比，一對相反的電極不再是互相堆疊，而是并排分布。正是由于這種結構上的優勢，研究者們設計出了不同種類的器件。例如，將這種柔性材料安裝在雨傘上，當水落在雨傘上，雨傘就會發光，這也為構建利用光信號變化的遠程探測器提供了可能。

文獻鏈接：Polar-Electrode-Bridged Electroluminescent Displays: 2D Sensors Remotely Communicating Optically（Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201703552）

10.論文：通過調節分子間相互作用實現可見光激發的超長有機磷光

南京工業大學黃維院士和安眾福研究員（共同通訊作者）使用簡明的化學方法，在可見光照射下的固體中，通過調節分子序列來獲得明亮的UOP，例如手機手電筒。通過摻入鹵素原子調節分子間相互作用，激發光譜表現出明顯的紅移。經過H聚集的UOP，具有8.3％的高磷光效率和0.84s的壽命。在肉眼可以識別的0.32 mcd m -2的亮度內，UOP總共可持續104秒。鑒于這些特點，超長的有機磷光材料可被用于雙重數據的加密和解密。此外，通過聚合物基質封裝在水溶液中分散的UOP納米顆粒，并且研究了它們在生物成像中的應用。這一結果將為無金屬有機磷光材料及其應用鋪路。該成果以“Visible-Light-Excited Ultralong Organic Phosphorescence by Manipulating Intermolecular Interactions”為題于2017年7月17日發表在期刊Advanced Materials上。

文獻鏈接：Cai S, Shi H, Li J, et al. Visible‐Light‐Excited Ultralong Organic Phosphorescence by Manipulating Intermolecular Interactions[J]. Advanced Materials, 2017.

11.論文：利用相互擴散輔助復合二維MOF和Ti3C2Tx納米薄片用于電催化析氧反應

ACS Nano?刊登了一篇題為“Interdiffusion Reaction-Assisted Hybridization of Two-Dimensional Metal?Organic Frameworks and Ti₃C₂T_x?Nanosheets for Electrocatalytic Oxygen Evolution”的文章，報道了南京郵電大學李紹周教授、南京工業大學黃維教授、黃曉教授（共同通訊作者）等人，運用內部擴散相輔助的過程原位合成CoBDC，并將Ti3C2Tx 納米片與之復合。將得到的復合材料應用于電化學析氧反應(OER)中，在0.1M KOH的電解液下，相對于可逆氫電極在1.64V電勢下能達到電流密度為10mA cm^?2 及塔菲爾斜率為48.2mV dec^-1。這些性能超出那些基于 IrO₂的催化劑甚至比此前報道的更先進的基于過渡金屬的催化劑。由于CoBDC層提供多孔結構和較大的活性表面積且Ti3C2Tx納米片的優良的電導性和親水性使得電荷和離子在復合得到的Ti₃C₂T_x?CoBDC界面上快速傳遞。同時也便于水性電解液接近催化的活性CoBDC表面。這種納米薄片進一步組裝到空氣陰極形成可充電的鋅-空氣電池，并成功帶動LED發光。

文獻鏈接：Interdiffusion Reaction-Assisted Hybridization of Two-Dimensional Metal?Organic Frameworks and Ti3C2Tx Nanosheets for Electrocatalytic Oxygen Evolution（ACS Nano, ?2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b01409）

12.論文：一種高效的紅光LED-基于濕法加工的多量子阱鈣鈦礦材料

來自南京工業大學的黃維和王建浦（共同通訊作者）用一種簡單可擴展的方法成功制備出了純紅光高效鈣鈦礦發光器件，大大推動了有機金屬鹵化物鈣鈦礦發光二極管的應用。

研究人員把無機小陽離子Cs引入到多量子阱結構的鈣鈦礦薄膜中，從而制備出純紅光高效鈣鈦礦發光器件。多量子勢阱結構不僅有利于立方CsPbBr₃鈣鈦礦結構在低溫下的建立，還能夠讓Cs基多量子勢阱提供純凈穩定的紅色電致發光。這種通用的制備多量子勢阱鈣鈦礦材料的方法，能夠讓控制發射層的結晶度和形貌有很高的自由度。器件中包含的氯化物能進一步提高Cs基鈣鈦礦多量子勢阱的結晶度和光學性能，讓器件具有低的開關電壓（2v）, 高的外量子效率（最大3.7%），高的亮度（4v電壓下約為440 cd m^?2）。這些性能測試結果顯示Cs基鈣鈦礦多量子勢阱LED是性能最優的紅光鈣鈦礦LED。而且該鈣鈦礦LED具有創紀錄的穩定性，在10 mA cm^?2恒定電流密度下器件的壽命超過5個小時。研究人員的相關工作顯示多量子勢阱鈣鈦礦材料在用大規模生產制備出可見光范圍高性能LED上具有巨大潛力，這對低成本照明和顯示領域有巨大吸引力。

文獻鏈接：Efficient Red Perovskite Light-Emitting Diodes Based on Solution-Processed Multiple Quantum Wells（Advanced? Materials,2017, Doi/10.1002/adma.201606600/full）

13.論文：還原型染料/石墨烯復合材料可用作高能量鋰離子電池的有機正極材料

南京工業大學黃維院士和南洋理工大學Ting Yu教授（共同通訊作者）等提供了一種簡單通用的還原染料/石墨復合材料制備方法。將超聲處理和水熱法相結合可制備出多種還原染料/石墨復合材料，用來做高性能鋰離子電池正極材料。例如，通過還原綠8和石墨烯片之間的π-π相互作用研究人員得到了穩定的復合結構，它不僅可以有效地抑制活性物質的溶解現象，在電化學反應期間還可以保證電子的快速傳輸。因此，還原綠8 /石墨烯（VG8 / G）的復合材料表現出良好的循環穩定性和優異的高倍率性能。這種簡單通用的方法還可以用來制備還原棕BR/石墨烯（VB BR/ G）和還原橄欖T /石墨烯（VO T / G）復合材料，都表現出優異的電化學性能，為高性能鋰離子電池正極材料的開發提供了新的方向。

文獻鏈接：Toward High Energy Organic Cathodes for Li-Ion Batteries:A Case Study of Vat Dye/Graphene Composites?（Adv. Funct. Mater.，2016，DOI: 10.1002/adfm.201603603）

發表的綜述：

1.綜述：面向大面積鈣鈦礦電池的材料

南京工業大學（先進材料研究院）黃維院士、秦天石教授團隊在Advanced Functional Materials雜志上發表了題為“Materials toward the Up-scaling of Perovskite Solar Cells: Progress, Challenges and Strategies”的綜述性文章，第一作者為王芳芳副教授。在這篇綜述中，作者首先介紹了鈣鈦礦光伏器件和組件的結構，然后從各個功能層材料的角度詳細探討了近年來大面積鈣鈦礦光伏器件的研究進展、目前的問題和解決策略，包括鈣鈦礦材料，空穴傳輸材料，電子傳輸材料和電極材料。此外還分析了影響鈣鈦礦光伏器件穩定性的幾點關鍵因素。最后對大面積鈣鈦礦光伏器件的發展和策略進行了總結和展望。文中關于大面積鈣鈦礦電池產業化方面得到了合作單位京東方科技集團李新國、吳曉博士的建議。該論文作者為Fangfang Wang, Yezhou Cao, Cheng Chen, Qing Chen, Xiao Wu, Xinguo Li, Tianshi Qin,*and Wei Huang*

文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201803753

2.綜述：二維發光材料的制備、性能和應用

西北工業大學的黃維院士與南京工業大學的黃曉教授、陳永華教授（共同通訊）聯合在Chem. Soc. Rev.上發表綜述文章，題為：Two-dimensional light-emitting materials: preparation, properties and applications。第一作者為王志偉博士和仇晶晶碩士。作者將二維發光材料歸納為三大類，即二維無機發光材料、二維有機發光材料和二維有機-無機雜化發光材料，并對其制備、性質及應用進行了點評。作者闡述了每一類材料的制備方法并討論它們的結構和化學性質，特別對結構與發光特性之間的關系進行了重點討論。最后，作者對二維發光材料目前的潛在應用以及發展中的挑戰和未來機遇進行了展望。

文獻鏈接：Two-dimensional light-emitting materials: preparation, properties and applications, (Chem. Soc. Rev., 2018, DOI: 10.1039/c8cs00332g)

3.綜述：無鉛有機無機雜化鈣鈦礦在光伏上的運用

南京工業大學的黃維院士、陳永華教授和夏英東副研究員（共同通訊作者）在Advanced Materials發表了題為“Lead-free Organic–Inorganic Hybrid Perovskites for Photovoltaic Applications: Recent Advances and Perspectives”的綜述。在這篇綜述中，作者主要從無鉛鈣鈦礦晶體結構、薄膜沉積和器件性能方面的理論分析和實驗解釋，回顧了無鉛鈣鈦礦的最新研究進展。同時還討論了進一步了解無鉛雜化鈣鈦礦基本性質的重要性，特別是與光有關的性質。

原文鏈接：Lead-free Organic–Inorganic Hybrid Perovskites for Photovoltaic Applications: Recent Advances and Perspectives （ Adv. Mater.,?2017, DOI: 10.1002/adma.201605005?）

本文由材料人編輯部編輯，材料牛整理。

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