基于级联空穴捕获机制的纯有机聚合物实现日级长余辉发光

研究人员针对商用低成本光电惰性聚合物难以实现小时级室温长余辉发光（OLPL）的难题，通过引入缺电子萘二酰亚胺衍生物作为客体分子，在PMMA、PLLA等常见聚合物基质中实现小时级OLPL，并创新性地采用PMMA/PC双聚合物体系获得突破性的168小时日级余辉。该研究提出的级联聚合物空穴捕获机制为开发可替代无机材料的实用化OLPL系统提供了新思路。

　　

在夜间照明、应急标识和信息加密等领域，长余辉发光材料（LPL）展现出独特价值。传统无机LPL材料虽能实现日级余辉，但其制备需要800-1400°C的高温煅烧，不仅能耗巨大，还存在脆性大、加工难等缺陷。相比之下，有机长余辉发光（OLPL）材料因其温和的合成条件、优异的可加工性和生物相容性备受期待，但此前性能最佳的n型OLPL系统仅能在TPBi等光电活性小分子基质中实现24小时余辉，而常见的商用聚合物如PMMA、PS等"光电惰性"基质更是仅能维持秒级发光。

中国国家自然科学基金资助项目的研究团队另辟蹊径，注意到PMMA等极性聚合物中富含的羰基具有电子给体特性。通过将缺电子萘二酰亚胺（NDI）衍生物作为客体分子引入PMMA、PLLA等八种商用聚合物基质，研究人员首次在光电惰性聚合物中实现小时级室温OLPL。更令人振奋的是，PMMA与聚碳酸酯（PC）的复合材料展现出168小时的超长余辉，创造了OLPL材料的新纪录。这项发表于《Materials Today》的研究，通过创新的"级联聚合物空穴捕获"机制，为开发低成本、可大规模加工的实用化OLPL材料开辟了新途径。

研究团队采用熔融共混法制备聚合物复合薄膜，通过稳态/瞬态光谱、电子顺磁共振（EPR）和低温光谱等技术表征光物理性质，结合理论计算阐明能级排列关系。在PMMA、PLLA等单一聚合物体系中，通过优化NDI衍生物的分子结构（如引入溴原子），将余辉时间从基础体系的3小时延长至12小时。而在PMMA/PC双聚合物体系中，PC的深空穴陷阱能级（-5.8 eV）与PMMA的浅陷阱能级（-5.3 eV）形成阶梯式能级结构，使空穴经历多次捕获-释放过程，大幅延缓电荷复合速度。

"结果与讨论"部分揭示：1）在单一聚合物基质中，NDI衍生物的LUMO能级越低，产生的空穴陷阱深度越大，余辉时间越长；2）双聚合物体系的余辉衰减曲线呈现独特的三阶段特征，对应不同深度陷阱的逐步释放；3）材料在极端条件（80°C高温、液氮低温、紫外老化）下保持稳定的发光性能；4）通过多层聚合物薄膜的余辉颜色调控，实现复杂的信息加密功能。

研究结论指出，这种基于商用聚合物的OLPL体系具有三大优势：原料成本仅为传统无机材料的1/10，可采用注塑、压延等工业技术大面积加工，且生物可降解的PLLA体系为植入式医疗应用提供可能。提出的级联空穴捕获机制突破性地证明：光电惰性聚合物中较差的电荷迁移率反而成为延长余辉的有利因素。这项工作不仅将OLPL性能提升至与无机材料相当的水平，更通过"变废为宝"的策略，使大量现有工业聚合物获得光电功能升级的可能，对推动有机光电材料的产业化应用具有里程碑意义。