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Angew：零維空位有序雙鈣鈦礦中空位與發(fā)光和水響應(yīng)性能的構(gòu)效關(guān)系研究

來(lái)源：黃小滎課題組 2024-08-19

導(dǎo)讀：近年來(lái)，有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化金屬鹵化物材料由于其合成簡(jiǎn)單、成本低廉、結(jié)構(gòu)與性能的豐富可調(diào)性等特點(diǎn)而引人注目。空位有序雙鈣鈦礦（VDPDs）是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料的一個(gè)重要子類，在發(fā)光、光伏和非線性光學(xué)等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。了解VDPDs的結(jié)構(gòu)性能關(guān)系對(duì)于設(shè)計(jì)特定功能性材料至關(guān)重要，但該領(lǐng)域的研究仍處于起步階段。相關(guān)領(lǐng)域存在一些亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，例如如何計(jì)算有序空位的體積？以及VDPDs的空位對(duì)其物理（如發(fā)光性能）和化學(xué)（如濕度穩(wěn)定性）性能會(huì)產(chǎn)生什么樣的影響？

正文

圖1. 有序空位引起的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)從3D到0D的轉(zhuǎn)變過(guò)程（上圖）；文中所報(bào)道化合物的結(jié)構(gòu)圖（下圖）。

近日，中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所黃小滎課題組與深圳霍夫曼先進(jìn)材料研究院的李靜教授合作，基于一系列零維A₂M(III)□X₅□’型（M = 金屬離子，A = 陽(yáng)離子，X = 鹵化物，□ = 空位）VDPDs，對(duì)VDPDs的空位以及結(jié)構(gòu)、物理和化學(xué)性質(zhì)之間的構(gòu)效關(guān)系進(jìn)行了創(chuàng)新而深入的研究。與常見(jiàn)的A₂M(IV)X₆型VDPDs不同，A₂M(III)X₅由于額外的鹵素離子被空位取代而產(chǎn)生更大的有序空位體積。改變A位點(diǎn)有機(jī)陽(yáng)離子的尺寸可以對(duì)其空位體積進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而得到含溶劑分子的[Di-MA]₂SbCl₅·MeCN（Di-MA = 二甲基銨離子，MeCN = 乙腈）和[Tetra-MA]₂SbCl₅·DMF（Tetra-MA = 四甲基銨離子，DMF = N, N’-二甲基甲酰胺），以及不含溶劑分子的[DEDMA]₂SbCl₅（DEDMA = 二乙基二甲基銨離子）。他們首次利用從Connolly表面計(jì)算出的空隙率定量計(jì)算VPDPs中有序空位的體積。并首次發(fā)現(xiàn)了空隙率與其發(fā)光量子產(chǎn)率之間的關(guān)系，即空隙率越低量子產(chǎn)率會(huì)越高（圖2）。

圖2. 一系列零維A₂SbCl₅類型化合物的空隙率和量子產(chǎn)率之間的關(guān)系。

此外，他們還首次報(bào)道了VDPDs的“gate-opening”氣體吸附現(xiàn)象，這一現(xiàn)象被“S”形的水蒸氣吸附等溫線證實(shí)。只有當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度超過(guò)特定閾值后，外界水分子才會(huì)被吸附到A₂SbCl₅型VDPDs的空位中，而這一吸附過(guò)程會(huì)進(jìn)一步誘導(dǎo)A₂SbCl₅轉(zhuǎn)變?yōu)榉前l(fā)光的A₃Sb₂Cl₉（圖3上）。他們的研究發(fā)現(xiàn)：VDPDs的濕度敏感閾值可以通過(guò)改變陽(yáng)離子來(lái)調(diào)節(jié)；較大的空位體積通常會(huì)導(dǎo)致較低的濕敏閾值以及較低的濕度穩(wěn)定性?；诖?，他們進(jìn)一步通過(guò)混合陽(yáng)離子策略微調(diào)VDPDs的濕度穩(wěn)定性，獲得了一系列針對(duì)不同濕度產(chǎn)生響應(yīng)的VDPDs材料（圖3左下）。

圖3. A₂SbCl₅對(duì)濕度閾值響應(yīng)行為和水蒸氣吸附等溫線（上圖）；[DEDMA]₂SbCl₅的Connolly 表面、“gate-opening”現(xiàn)象示意圖以及混合陽(yáng)離子策略對(duì)濕度敏感性為的調(diào)控（左下）；A₂SbCl₅系列化合物在不同濕度下的多重響應(yīng)和單一濕度下的多重響應(yīng)行為（右下）。

他們還利用A₂SbCl₅與A₃Sb₂Cl₉之間可逆的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的可逆的發(fā)光“開(kāi)—關(guān)”轉(zhuǎn)換開(kāi)發(fā)了此類材料在高級(jí)信息加密和防偽中的應(yīng)用。相較于通常報(bào)道的對(duì)熱或有機(jī)蒸汽敏感的材料，基于濕敏材料的防偽和加密更具安全性。他們制作了一種由不同濕敏材料構(gòu)筑的陣列化圖案，只需調(diào)整環(huán)境濕度就可以多次改變圖案的信息，顯著優(yōu)于僅可單次響應(yīng)的防偽圖案。進(jìn)一步地，他們?cè)?/span>A₂SbCl₅@A’₃Sb₂Cl₉復(fù)合材料中首次實(shí)現(xiàn)了單一濕度刺激下的新穎的“開(kāi)—關(guān)—開(kāi)”多重響應(yīng)。其中A₂SbCl₅可在特定濕度下轉(zhuǎn)變?yōu)榉前l(fā)光的A₃Sb₂Cl₉，從而產(chǎn)生“開(kāi)—關(guān)”的一級(jí)響應(yīng)。在不改變濕度的情況下，隨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變釋放出的ACl可與A’₃Sb₂Cl₉結(jié)合而成為發(fā)光的A_xA_2-x’SbCl₅，并產(chǎn)生“關(guān)—開(kāi)”的二級(jí)響應(yīng)（圖3右下）。迄今為止，信息加密和防偽研究主要集中于多重刺激響應(yīng)的發(fā)光材料，這些材料需要多次改變外部刺激的濃度、強(qiáng)度或類型才能展現(xiàn)出多級(jí)響應(yīng)。這項(xiàng)研究顯示了空位有序雙鈣鈦礦材料在多級(jí)信息加密和防偽技術(shù)中極具應(yīng)用價(jià)值。

總結(jié)

上述結(jié)果發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是王澤平博士。該成果是黃小滎課題組在雜化金屬鹵化物熒光材料研究方向上的最新進(jìn)展，前期成果包括首次報(bào)道的具有高量子產(chǎn)率和白光發(fā)射的Sb基離子液體熒光材料（Chem. Commun. 2015, 51, 3094-3097）、具有三重?zé)晒廪D(zhuǎn)變模式的熱響應(yīng)Sb基雜化金屬鹵化物熒光材料（Angew. Chem. Inter. Ed., 2019, 58, 9974-9978）、具有特異性識(shí)別的接觸誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)相變的Sb基雜化金屬鹵化物熒光材料（Angew. Chem. Inter. Ed., 2021, 60, 23373-23379）。他們于2020年應(yīng)邀撰寫綜述介紹了雜化銻、鉍鹵化物中的相變與熒光轉(zhuǎn)變（申南南、黃小滎等，CrystEngComm, 2020, 22, 3395-3405）；2021年，他們對(duì)非質(zhì)子型離子液體陽(yáng)離子構(gòu)筑的零維金屬鹵化物發(fā)光材料進(jìn)行了全面的總結(jié)和展望（金建策、黃小滎等，Coordin. Chem. Rev.2021, 214185）；2022年，他們應(yīng)邀對(duì)雜化金屬鹵化物這一新穎的刺激響應(yīng)材料進(jìn)行了總結(jié)和展望（王澤平、黃小滎，Chem. Eur. J., 2022, 28, e202200609）。

文獻(xiàn)詳情：

Vacancy Effect on the Luminescent and Water Responsive Properties of Vacancy-ordered Double Perovskite Derivatives

Zeping Wang, Dandan Huang, Yi Liu, Haowei Lin, Zhizhuan Zhang, Abdusalam Ablez, Tinghui Zhuang, Kezhao Du, Jing Li*, Xiao-Ying Huang*

Angew. Chem. Int. Ed., 2024

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202412346

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