苝-萘水相体系分子内/超分子电子转移机制研究及其光能转化应用

本研究针对清洁能源需求，设计合成新型水溶性苝(PTCA)-萘(SANS)共价/超分子体系，通过稳态/瞬态光谱技术揭示其高效电子转移特性(分子内速率1.50×109 s-1，超分子速率达5.26×1011 s-1)，为人工光合作用系统开发提供新思路。

　　

全球能源危机与气候变化背景下，模拟自然光合作用开发高效光能转化系统成为研究热点。传统共价键连接的电子给体-受体体系虽稳定，但与天然系统中非共价作用调控的精密能量传递机制存在本质差异。如何构建兼具高效电荷分离能力与水相稳定性的仿生系统，成为制约人工光合作用发展的关键瓶颈。

研究人员通过分子工程策略，设计出两类突破性体系：一是共价连接的PTCA-SANS二元体，实现分子内电子转移速率1.50×10⁹ s^-1、效率0.96；二是基于阳离子苝二酰亚胺(TAIPDI)与阴离子SANS的超分子系统，通过π-π堆积与离子相互作用(K=6.11×10³ M^-1)自组装，获得创纪录的超分子电子转移速率(5.26×10¹¹ s^-1)和近完美效率(0.99)。该成果发表于《Journal of Luminescence》，为开发水相光催化系统提供新范式。

研究采用红外光谱(IR)、核磁共振(NMR)验证结构，紫外-可见吸收光谱与荧光光谱分析光物理性质，时间相关单光子计数(TCSPC)和纳秒瞬态吸收光谱测定激发态动力学，结合电化学测试与密度泛函理论(DFT)计算阐明电子转移机制。

【分子内电子转移系统】

合成新型PTCA-SANS共价二元体，稳态荧光显示SANS单元荧光淬灭率达96%。瞬态光谱分析揭示电子从激发态SANS转移至PTCA的速率常数1.50×10⁹ s^-1，证实共价连接可实现高效定向电荷分离。

【超分子电子转移系统】

TAIPDI与SANS通过静电与π-π作用形成1:1复合物。当激发TAIPDI时，电子转移速率7.89×10⁸ s^-1；反向激发SANS时，速率提升三个数量级至5.26×10¹¹ s^-1，接近天然光合作用反应中心效率。DFT计算显示HOMO-LUMO能级差驱动该超快过程。

【结论与意义】

该研究首次实现水相中苝-萘体系的可控电子转移，突破传统有机体系需有机溶剂的限制。超分子系统展现自然界中"定向预组织-超快传能"的特性，为设计仿生光催化、光伏器件提供新思路。体系兼具广谱吸光(300-600 nm)、水溶性与稳定性，在太阳能转换、环境传感等领域具应用潜力。作者Hadeer M. Mostafa等指出，这种非共价组装策略可扩展至其他π共轭系统，为构建模块化人工光合作用网络开辟道路。