在刚刚迈入2023年之际，我们持续关注并回顾了2022年黄辉团队在上述领域的研究成果，他们在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc, Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Mater.等期刊上发表研究及综述文章近20篇。我们对其中的代表性成果进行了梳理，供大家学习和交流。

【2022年研究成果集锦】

Part 1 有机/高分子半导体材料的精准合成

1. Nat. Commun.：首次开发基于C-S键活化的聚合方法（CASP）

聚合物半导体材料，因其具有化学结构易调节、可调控的带隙和光吸收、优良的电荷传输迁移率、可柔性制备和可溶液加工性能等优点，在有机电子学领域有着非常广泛的应用前景。目前的制备方法通常芳基卤代物作为亲电试剂，离去基团环境毒性，且容易产应自偶联副反应，影响了聚合物半导体材料性能的提升和产业化前景。

中国科学院大学黄辉教授和史钦钦副教授和美国西北大学Tobin Marks等人以芳基硫醚为亲电试剂，与亲核试剂芳基锡烷在CuTC和Pd(PPh₃)₄共催化下，实现了高效偶联聚合。该聚合方法芳基硫醚作为亲电试剂，不仅可以减少自偶联副反应的发生，还可以实现室温高效聚合，为合成低成本、高性能的有机半导体材料提供了新的方法。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27832-1

2. Angew. Chem. Int. Ed.封面：室温Stille聚合实现聚合物的精准调控

交替共轭聚合物目前的制备方法主要为热活化Stille，Suzuki及直接芳基化等交叉偶联聚合方式。热活化的合成方法存在合成重现性差，副反应多，材料存在结构缺陷等问题，极大限制了共轭聚合物材料的批次重复性和性能提升。

中国科学院大学黄辉教授和史钦钦副教授等人采用一种以Buchwald预催化剂P(t-Bu)₃Pd G3的简单高效催化体系，首次实现了室温下具有高效Stille聚合反应。采用该方法制备的交叉聚合物具有更加精准的交替结构，因而合成的聚合物具有比传统热活化Stille制备的材料更高的载流子迁移率。该方法的开发不仅为高性能共轭聚合物材料的制备提供了新方法，更为有机电子学发展提供了新的研究思路。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202115969

3. CCS Chem.：基于荭的简单双自由基材料的设计与合成

双自由基分子具有独特的光电磁性能，在自旋电子、锂电池、量子信息处理等方面具有广泛的应用前景。然而，构建稳定的双自由基稠环分子极具挑战性。为了提升双自由基的稳定性，通常在分子中延长共轭或者引入大位阻基团。但共轭程度的延长或者大位阻基团的引入一般会导致多步合成和提纯过程，限制了材料的设计与合成。

基于此，中国科学院大学黄辉教授和史钦钦副教授等人设计了基于荭为核心结构的一系列稠环分子，并采用两步合成方法高效合成了O，S，Se掺杂的荭基新分子。采用变温核磁、变温EPR、紫外吸收等实验手段以及NICS，HOMA和FOD等研究手段揭示了该系列材料从闭壳结构转化为开壳结构的关键机理。

参考文献：

https://www.chinesechemsoc.org/doi/10.31635/ccschem.022.202201954

Part 2 高性能有机太阳能电池材料设计及形貌调控

1. JACS封面：非共价“构象锁”助力平面型固体添加剂的设计

有机太阳能电池的能量转化效率很大程度上依赖于活性层的形貌——如分子取向、结晶性、相域尺寸及其纯度等，近些年的研究表明通过使用一类易使用、无残留的高挥发性固体添加剂可以有效的调控混合薄膜形貌。然而，这类固体添加剂的分子设计原则与作用机理研究尚不明晰。

因此，中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授等人选择固体添加剂分子的构象调控作为研究切入点，将非共价“构象锁”策略成功应用于固体添加剂分子的设计，有效改善活性层的微观形貌，从而显著提升太阳能电池的性能。通过平面型固体添加剂处理后，本工作制备并获得了光电转化效率高达18.85%的有机太阳能器件（该器件效率获得中国计量科学研究院的认证：18.7%），创造了当时单结二元有机太阳能电池的最高记录值，有利于理解固体添加剂的构效关系，并为设计高效固体添加剂指明了新的思路。

参考文献：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c05303

2. Adv. Mater.：逐层旋涂法实现对垂直组分分布的精细调控

有机太阳能电池的光活性层薄膜涉及到光子吸收、激子扩散与解离以及电荷传输等重要过程，因此如何制备高质量的光活性层薄膜是关乎器件性能的核心问题。中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授等人利用逐层旋涂法构建垂直相分离结构的光活性层薄膜，并进一步通过调节旋涂转速实现对垂直组分分布的精细调控，获得了创纪录的单异质结二元共混有机太阳能电池。实验结果表明，调控活性层垂直组分分布可以增强光活性层材料的结晶性、提高激子解离、降低能量损失以及平衡电子/空穴的传输，最终获得了效率高到19.05%的有机光伏器件。这项工作为制备高性能有机太阳能电池提供新的方法，有助于理解光活性层垂直组分分布与光伏器件性能之间的关系。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202204718

3. Adv. Funct. Mater.：具有高品质因子的简单结构电子受体

基于稠环电子受体的体异质结有机太阳能电池发展迅猛，其最高的光电转换效率已突破19%大关。然而这类稠环电子受体材料通常含有一个高稠合度的芳香（杂）环，其合成路线一般较为复杂，总产率较低。

有鉴于此，中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授等人使用价格低廉的2,3-二溴噻吩作为起始原料，并采用苯和噻吩作为共轭骨架的主要构筑单元，构建了一系列含有S···O非共价“构象锁”的简单结构电子受体材料。这类新型受体材料具有较高的品质因子（即FOM值，其等于光电转化效率与合成复杂度指数的比值），展现了非共价“构象锁”在低成本、高性能电子受体材料设计方面的明显优势和潜力。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202108861

4. Adv. Funct. Mater.：非共价“构象锁”异构化实现高性能全小分子有机太阳能电池

近些年来，高性能有机太阳能电池主要是基于宽带隙聚合物给体材料实现的。然而，聚合物材料普遍存在批次差异现象，这无疑给器件的可重复性带来很大的障碍。由此，开发分子量确定、容易纯化的高性能小分子给体材料则显得尤为重要。

因此，中国科学院大学黄辉教授、张昕副教授和香港中文大学路新慧教授等人通过引入非共价“构象锁”策略，设计合成了一对区域异构的小分子给体材料。实验结果证明非共价“构象锁”区域异构的策略，可以有效调控小分子受体的光电性质、固态堆积行为以及光伏器件性能，为探索高性能小分子给体材料指明了新的思路。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202112433

5. Adv. Sci.：借助三元给体合金策略有效降低能量损失，实现高开压和高性能有机太阳能电池器件的制备

有机材料具有较小的介电常数，其激子通常具有局域化的特性。相较于非激子型太阳能电池（硅基和钙钛矿太阳能电池），有机太阳能电池存在电荷转移态，这会导致器件的开路电压相对较低（通常小于0.9 V）。因此，如何进一步降低能量损失，提升开路电压和光电转换效率是有机太阳能电池领域中至关重要的科学问题之一。

中国科学院大学黄辉教授和张昕副教授等人通过三元给体合金策略提升给受体界面形成的电荷转移态，有效的降低了器件的能量损失。该工作选取具有良好混溶性的给体聚合物PM6和D18-Cl，两者形成的给体合金有利于在较宽的重量比例范围内调控合金态的能级，进而可连续调节活性层中的电荷转移态。最终，本工作成功获得了开压高达0.91 V，光电转换效率超过19.2%的单异质结有机太阳能电池，为设计低能损、高性能有机光伏器件提供了新的指导策略。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203606

Part 3光电传感及生物材料

1. Angew. Chem. Int. Ed.：短波红外光特异性响应的有机光电突触

人类通过体内数十亿的神经元及突触感知周围的环境、获取各种各样的信息，并且实现记忆和存储的功能。80%的外界信息由人类视觉系统获取，其关键功能之一是分辨颜色（不同光波长）。目前报道的多数光电突触器件的光响应范围与感光材料的吸收范围一致，无法仅对某一特定波长范围表现出突触行为。因此，模拟人类视觉分辨不同波长光信号的功能仍是重要挑战。

因此，中国科学院大学黄辉教授等人通过设计合成一种窄带共轭聚合物P1（光学带隙0.69 eV），并借助界面能级势垒和非平衡载流子传输捕获电荷，首次实现了对短波红外光特异性响应的有机光电突触器件。器件具有优异的长时和短时可塑性，以及低至和人类一次神经活动消耗能量相当的能耗。通过拓展其他材料体系，证明了该工作构建短波红外光特异性响应光电突触策略的普适性。最后，光电突触器件阵列被成功应用于抗可见光干扰的字母成像。该工作为实现特异性响应的有机光电突触提供了一种新策略。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202213733

2. Adv. Mater.: 通过调节硫族元素获得有效的近红外二区光动力I型光敏剂

在临床治疗中，浸润深、体积大、部位复杂、手术/放疗可能性低的恶性肿瘤难以治愈。因此，光动力/光热疗法（PDT/PTT）因其无创性、显著的肿瘤穿透深度和可忽略的副作用而被成为治疗此类肿瘤的理想方法。一方面，近红外二区（NIR-II）激光照射具有深度穿透（1064 nm激光大于1厘米）和高最大允许曝光（1064 nm激光是1.0 W cm⁻²）优势；另一方面，可在缺氧肿瘤的缺氧微环境工作要求光敏剂应为PDT的I型材料。因此，开发NIR-II的PDT的I型光敏剂并被应用于癌症治疗具有极大的临床应用前景。

中国科学院大学黄辉教授、彭谦教授和深圳市第二人民医院谭回教授、蔡晓东教授等人通过硫族元素的调节，增强电子转移驱动力，促进了自由机型活性氧物种的产生。基于碲吩的PTTe纳米颗粒在体外常氧和缺氧条件下都表现出优异的生物相容性和前所未有的NIR-II（1064 nm）I型光动力/光热性能，可有效抑制体内4T1肿瘤增殖。

参考文献：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202108146

【黄辉教授简介】

黄辉，湖南衡阳人，中国科学院大学特聘教授、国家自然科学基金杰出青年获得者。本科、硕士、博士先后毕业于北京师范大学、中国科学院化学研究所、达特茅斯学院。2008年在美国西北大学从事博士后研究（合作导师Prof. Tobin J. Marks），随后加入美国康菲石油公司（菲利普斯66石油公司）全球研发中心担任研究科学家。2013年作为中科院海外引进人才加入中国科学院大学，其主要科研方向是有机/高分子半导体材料的设计、合成与应用研究。2017年入选J. Mater. Chem. A期刊新锐科学家（Emerging Investigator）。先后获得中国科学院朱李月华优秀教师奖、中国科学院优秀导师奖、唐立新优秀学者奖、领雁金奖等。以通讯作者/第一作者发表（接收）学术论文超过100篇，多篇文章被Nature和Materials Views China等专业学术网站报道。编写英文专著《Organic and Hybrid Solar Cells》（Springer出版社，2014）。目前担任中国化学会副秘书长、分子聚集发光委员会委员、青年工作者委员会委员、中国感光学会光化学与光生物专业委员会委员、InfoMat编委、Sci. China Chem.编委，以及科技部、国家奖励计划、国家自然科学基金委评审专家等。