苝酰亚胺类衍生物(PDI)具有强的太阳光捕获能力，优异的光稳定性，高的电子迁移率等多个优点。而且，苝酰亚胺分子的多反应位点使其易于进行化学修饰，便于实现多功能领域的应用。四臂3D构型的苝酰亚胺类衍生物就是一种具有高光电转化效率的小分子受体材料，在有机太阳能电池领域(OPV)得到了研究者的广泛关注。同时，氢气作为一种清洁的可再生能源，可以通过电或光催化的水分解反应得到。电催化分解水产氢(HER)就是一种环境友好的高效率析氢技术，具有广阔的应用前景，然而苝酰亚胺类衍生物在电催化HER领域的应用鲜有报道。

                           图1. PDI分子在有机太阳能电池和电催化领域的应用

近期，本课题组在Journal of Materials Chemistry A (DOI:10.1039/d0ta00506a)期刊上发表文章以三种不同金属配位结构和三种有机结构为核构筑了六种四臂3D空间构型的PDI分子。通过合理的调控金属和非金属核使四臂PDI分子表现出优异的光电转化效率和HER催化性能(如图1)。

                                                         图2 . 合成的四臂3D构型PDI分子结构

如图2所示，通过选取与PDI的LUMO-HOMO能级差异较小的有机核构筑的四臂3D构型PDI受体分子，基于QU-PDI受体的OPV器件的光电转化效率可以高达9.33%，比以Pd配位硫代双烯结构PDI受体分子(Pd-PDI)的光电转化效率高300倍以上。主要原因是四臂PDI中的子结构（分子核单元和臂单元）之间较小的能级差可以大幅减小电荷陷阱的存在。相反，理论计算和实验研究表明Pt配位硫代双烯结构PDI分子(Pt-PDI)则可以表现出比有机核PDI分子高达1000倍的HER催化性能，这也是目前基于PDI分子电催化HER性能的最高值。上述工作为设计合成功能化PDI衍生物并构筑高效的OPV受体材料和HER催化材料提供了思路。

上述研究获得了中科院青促会、国家自然科学基金面上项目和山东省自然科学重点基金等项目支持。（文/图 韩建华）

原文链接：

https://pubs.rsc.org/no/content/articlehtml/2020/ta/d0ta00506a