综述：2025年基于稀土分子的功能材料研究进展综述

《Journal of Rare Earths》：Review on progress of rare earth molecule-based functional materials in 2025

　　

孙平如|段道|于堂|严春华

中国甘肃省有色金属化学与资源利用重点实验室、天然产物化学国家重点实验室，兰州大学化学与化学工程学院，兰州730000

摘要

本文综述了2025年基于稀土分子的功能材料领域的最新进展，重点关注配体工程、可控组装和功能调控方面的突破，涵盖了发光、磁性、催化和多功能耦合系统。旨在概述从分子设计到器件应用的研究，探讨以功能为导向的分子工程和性能调控，分析该领域常见的科学挑战，并提出针对材料设计与工业应用的解决方案。

引言

由于稀土离子独特的4fⁿ/4fⁿ?15d¹电子构型，它们表现出多样的光物理行为。依赖f–f跃迁的稀土离子具有窄带发射、长发光寿命和高色彩纯度。相比之下，典型的二价稀土阳离子如Ce³⁺和Eu²⁺经历自旋和宇称允许的d–f跃迁，产生宽带发射且发光强度更高。然而，f–f跃迁本质上是宇称禁止的，且5d轨道对周围环境非常敏感。这些根本性缺陷限制了自由稀土离子直接作为发光中心的用途。通过与功能性有机配体的配位及后续组装成基于稀土分子的体系，可以很好地解决这些问题。这种策略能够精确调节发光路径和光学性质，进一步拓宽稀土材料的功能应用范围。

基于稀土分子的材料利用稀土元素独特的电子结构及其丰富的固有光学和电磁性质，结合有机配体的结构设计和超分子组装的精确调控，展现出结构动态可逆性和可调性质。这类材料包括金属有机框架（MOFs）、簇、配合物和组装体，在生物医学、¹传感、²信息加密、³催化转化等领域具有广泛的应用前景。⁴

2025年，该领域重点关注“以功能为导向的分子工程和性能调控”。开展包括精确构建、机制深化、动态响应、功能耦合和器件集成在内的多维度研究。配体工程和可控组装使得多功能基团的精确接枝和有序排列成为可能，从而扩展了材料设计的边界。深入的理论分析建立了定量结构-性质关系，为阐明分子和原子层面的作用机制提供了坚实的理论基础。明确了微观结构与动态响应之间的相关机制。分子工程提升了单元协同性和性能优化，构建出具有多刺激响应性和多功能耦合的材料。⁵, [6], [7], [8]

本文旨在从五个关键方面简要总结2025年基于稀土分子的功能材料领域的突破性进展：配体设计策略、超分子组装、动态响应、多功能耦合与协同增强以及器件集成（图1[9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19]）。它揭示了分子工程在结构调控和功能编程方面的独特优势，提炼了该领域内的常见科学挑战，并勾勒了未来的发展方向。

章节摘录

配体工程与新型组装策略

配体设计和超分子组装是材料设计的基石，也是实现“结构-性质工程”的第一步。精确设计配体结构以定向调节局部配位环境，不仅为内在性质的调控奠定了基础，也为构建更高级结构奠定了基础。结合组装策略，可以实现从分子层面可控地构建结构

发光和磁性的机制深化

配体工程和组装策略的核心在于对局部配位环境的调控。通过控制晶场分裂和电子构型等因素，可以选择性地优化能量传递路径和磁各向异性，从而影响内在的光学和磁性质。结合理论计算进行深入的机制分析，并建立定量结构-性质关系

基于分子材料的动态响应

通过将光响应、电响应和磁响应的功能基团引入分子结构，可以构建出功能性基于分子的材料。这些材料在外部刺激下通过配位解离、超分子重组、电子重排和结构松弛，表现出可逆的动态切换，为智能响应器件的应用奠定了基础。

多功能耦合与协同增强策略

分子设计和组装策略产生了具有双重结构和性质可调性的多功能耦合系统（例如，光磁、催化-传感）。这些系统能够协同增强不同的功能，显著提升材料性能。

在配体设计中合理结合刚性苯环和柔性烷基链，有效平衡了结构稳定性和分子灵活性，降低了熔点同时保持了

面向应用的器件集成与性能挑战

以功能为导向的基于稀土分子的材料凭借其可编程结构、可调性能和功能集成等优点，可以有效克服稀土无机材料的固有局限性。它们促进了从分子层面设计到器件集成的转化，为实际应用提供了可行的方法。

总结与展望

2025年，基于稀土分子的材料研究集中在“分子工程和性质调控”上。建立了微观结构与宏观性质之间的定量结构-活性关系。同时，对连接配位/组装微观环境与宏观性质的机制进行了深入分析。通过多组分、多功能协同增强，研究人员设计了诸如发光-磁性

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。