有机光电子与分子工程教育部重点实验室

编者按:有机光电子与分子工程教育部重点实验室(以下简称实验室)依托于清华大学化学系，以化学为基础、以分子工程学为手段，以发展新型有机光电功能材料和器件为目标，重点发展跨化学、化工、材料、信息及能源等领域的有机光电子学和分子工程学的理论和实践。实验室自2003年11月成立以来，在新型有机电致发光分子、两亲性分子、生物分子修饰的共轭分子、光致变色光敏分子、功能梳形共聚物分子、纳米晶和光子晶体的合成制备及其在新型有机平板显示器、有机场晶体管、有机光耦器件、有机太阳能电池、三阶非线性全光开关、新型锂电池、燃料电池中的应用等方向均取得了显著的成绩；发展了纳米晶催化、原子经济反应和绿色合成化学等新方向，丰富了有机光电子理论和分子工程学理论；在全面解决材料设计与合成、器件制备与封装、屏体的驱动和老炼等关键技术的基础上，建成了我国第一条OLED大规模生产线，实现了OLED屏及模块的批量生产和销售，其中高可靠性OLED显示屏已成功应用于“神七”舱外航天服上。

新型有机光电功能材料与有机发光器件

围绕提高载流子注入和传输性能，发展了Li3N、KBH4、LiCoO2等新型电子注入材料，提出非给体-受体结构设计双极性材料的思想，设计并合成了具有自主知识产权的高性能电子和空穴传输通道一致的多种光电材料，其电子迁移率比目前国际上广泛应用的电子传输材料Alq3高两个量级，发光效率提高100%，寿命延长50%以上，应邀在《Advanced Materials》上发表双极性材料设计新思路综述。

为提高载流子复合发光效率，设计合成了新型离子型和中性铱配合物，制备了具有重要应用价值的高性能近红外磷光发光器件；发明了无机绝缘材料掺杂有机空穴传输层和多个发光层同时发同一颜色光的器件结构，扩展了电子空穴复合区域，极大地提高了器件的稳定性，发光寿命超过105h，达到目前世界的最高水平。

针对热活化延迟荧光(TADF)材料中存在的高三线态激子转换效率与高发光效率的矛盾，提出了热活化敏化发光机制，利用TADF 材料作为主体，敏化传统的荧光或磷光染料。基于该机制，器件的效率仅取决于主体材料的上转换效率和客体材料的发光效率，从而获得了高效、稳定的OLED器件。

首次提出和构建了光、电压等刺激响应高分子体系，制备了高性能染料敏化太阳能电池器件、光电耦合器件，成功可逆地控制了主导酞菁聚集分子间弱相互作用力的大小，实现了对酞菁光电性能的光调控；制备了高性能无机/有机复合膜，提高了全钒液流电池性能，开辟了有机电致发光和光电响应领域的应用。

从左至右：OLED柔性显示，用于“神七”宇航员舱外航天服的OLED显示器，OLED光源

激发态理论与光电材料性质预测

根据分子的电荷激发与分子振动耦合强度，总结出了电荷传输的不同机制 (AdvMater. 2011，23：1 145)，即①强耦合区的局域电荷传输的量子核隧穿模型，并建立了有机半导体电荷迁移率的多尺度计算方法，提出了动态无序会升高而不是减低迁移率的新观点；② 弱耦合区的形变势模型及其第一性原理计算方法，应用到碳基材料中，预言了石墨烯的迁移率可以达到30万cm2/Vs、石墨二炔10万cm2/Vs，及其纳米带状材料迁移率随带宽变化的尺度效应 (JAmChemSoc. 2009, 131：17 728；ACSNano. 2011, 5：2 593；Nanoscale2012, 4：4 348)。应Springer出版社邀请撰写专著一本，总结了电荷传输理论。

采用量子-经典结合的方法，应用自主发展的激发态辐射和无辐射跃迁速率的振动关联函数理论计算方法，结合含时密度泛函理论的数值计算，给出了分子间氢键作用提高有机发光效率的机理 (JPhysChemA.2012，116：3 881)。该理论方法成功地解释了吡嗪的两个衍生物具有截然不同的固态发光行为，即2,3-dicyano-5,6-diphenylpyrazine具有奇异的聚集增强发光效应，而2,3-dicyanopyrazino-phenanthrene却表现出正常的聚集淬灭发光行为 (JComputChem. 2012，33：1 862)。

提出了一套组合算法，预测有机能源材料的性能：①在玻尔兹曼输运框架下应用形变势模型计算电子的电导和热导以及Seebeck系数 (JChemPhys.2009，131：224 704)、非平衡分子动力学模拟计算晶格的热导 (JPhysChemC.2011，115：5 940)，从而可以不依赖于任何人为的干预参数，预测材料的热电优值；②发展了动力学蒙特卡洛结合泊松方程的数值计算方法，研究有机高分子太阳电池材料的微观形貌、电荷迁移、激子分离与电荷复合等过程对光伏转换效率的影响(JChemPhys.2011，134：124 102)。

在第一性原理的框架下计算研究了金属表面分子自组装层调节金属功函数的规律，从而可实现降低电荷注入势垒。长期以来，人们对于金表面与硫醇分子层的界面偶极到底是多大存在激烈的争论。笔者团队指出，要正确理解界面偶极，应该从饱和硫醇与金表面电荷重排出发，而不应采用最终的脱氢结构 (PCCP.2010，12：4 287)。采用分子动力学，在全原子的水平上计算模拟了光控偶氮苯与环糊精的自组装行为，得到了组装过程的自由能曲线 (JPhysChemB.2012，116：823)。

从分子结构和堆积结构预测材料的光电性能是理论化学的重要挑战，其核心科学问题是分子与聚集态的电子激发过程的理论描述。实验室在以上4个方面均取得了进展。

建立了描述电荷传输的理论方法并出版了专著

分子催化与定向转化

光电响应有机分子的高效催化合成 建立了以炔烃环羰基化、环加成等为平台合成新颖光电响应有机分子的绿色催化反应新方法，发展了使炔烃还原为烯烃的高选择性催化氢转移反应新体系。提出了通过改变键接无机载体与金属配合物催化剂配体的碳链长度调控固载化金属配合物催化剂“柔韧性”的研究思想，实现了铑-膦配合物催化剂的柔韧化固载和循环使用。

生物甘油增值利用的催化化学 系统研究了甘油脱水制丙烯醛反应的固体酸碱催化作用规律，发现了几类性能良好的选择性制取丙烯醛固体酸催化剂；在国际上率先建立了甘油脱水反应活性和选择性与固体催化剂表面酸碱性质的关系，提出了对表面催化活性位本质的认识。发明了针对甘油氢解制丙二醇反应的Ru-Re双组分高效催化剂，提出了Ru-Re协同催化机制。

天然气、合成气的催化定向转化 基于前期发展的“纳米复合物型”Ni/ZrO2和Ni/MgO催化剂，发展了催化剂制备放大与成型工艺，实现了高压下(1.0～1.5 MPa)节能“水蒸气-CO2联合重整甲烷”催化新工艺。针对甲烷选择氧化制合成气反应，发展了制备高效、稳定Ni基催化剂的新方法。针对合成气定向转化，揭示了合成气反应活性和生成低碳烯烃选择性与ZrO2催化剂晶相结构的关系，发明了对生成低碳醇有良好选择性的Cu-MgO-CeO2催化剂。

节约贵金属Pt的纳米结构催化剂与功能 提出了在异种金属纳米粒表面沉积(亚)纳米Pt岛，创制和发展节约Pt贵金属的纳米结构(记为Pt^M)催化剂的研究思路；系统研究了Pt原子利用率高的Pt^M(M= Au、Ag)纳米结构的制备、结构特点、Pt-M作用与催化功能规律。针对Pt^Au体系，建立了几个基础构-性关系，深化了对纳米尺寸效应本质的理解，为相关纳米结构催化剂的理性设计提供科学依据。

节约贵金属Pt的纳米结构催化剂

超分子组装体的构筑、调控与功能

提出了超两亲分子的新概念，可用于构筑小分子型、高聚物型以及响应性超两亲分子，既为高级自组装提供了新构筑基元，又为制备超分子材料开拓了新途径，应邀在AccChemRes和ChemSocRev撰写综述。研究成果被《ACS Noteworthy Chemistry》以及《NPG Asia Materials》等媒介专门评介，指出：“他们的研究成果极大地拓宽了现有的纳米结构控制的方法和范围”。

发展了利用“Bottom-up”方式制备高质量单层石墨烯的新途径，提供了制备和构建传统方法难以获得的特殊材料和化学体系的新途径。该成果被德国《应用化学》选为热点文章。《Chemical & Engineering News》，《Nature China》以及《NPG Asia Materials》同时对该成果进行了推介，指出：“…李广涛等发展了一种比已报道方法更具优势和可重复性的Bottom-Up方法合成纯净单层石墨烯…。”

超两亲分子及可控自组装

在国际上率先制备了一系列含硒嵌段高分子，其自组装形成的聚集体具有灵敏的氧化还原响应性以及伽玛射线响应性，从而发展了一类新型的生物高分子，有望成为化疗-放疗相结合的药物载体。成果发表在JAmChemSoc并入选ESI高引用论文。

以多重主体加强型电荷转移作用，克服了弱相互作用由于其结合常数较低、缺乏方向性等缺点而很难用于超分子聚合物的制备的难题，成功地制备了高聚合度的超分子聚合物，建立了超分子聚合物制备的一类新的方法。该研究成果发表于德国《Angew Chem Int Ed》，被选为热点文章。

将分子自组装与分子印迹技术相结合，提出了构建具有传感信号自表达特性的高性能化学和生物传感体系的新思路。发表在AdvMater.2010，22：2 689，被《NPG Asia Materials》进行了专题报道，指出：“这一技术有望用于制备具有识别特定分子尤其是生物分子能力的器件，并用于疾病的诊断。”

学术成果

经过多年的发展，实验室不但实现了重大的学术和技术创新，并且培养了一批具有学科交叉优势的创新性人才。目前拥有一支高水平的研究队伍，教授15人、副教授10人；其中中国科学院院士2人，长江特聘教授6人，杰出青年基金获得者8人。开展的“有机发光显示材料，器件与工艺集成技术和应用”项目获2011年国家技术发明一等奖。实验室在2012年教育部评估中获得优秀。大量研究成果发表在NatChem,NatCommun,JAmChemSoc,AgewChemIntEd和AdvMater等著名期刊上，多篇文章被选为期刊封面并被NatureChina、美国化学会和英国皇家化学会的栏目点评。