张志国：低成本合成小分子受体促近聚合物太阳能电池商业化

jiasu2009

近日，北京化工大学张志国教授在 Nature Communications 上发表了题为“Low-cost synthesis of small molecule acceptors makes polymer solar cells commercially viable”的研究论文，报道了一种基于路易斯酸催化的Knoevenagel缩合反应用于合成小分子受体材料(SMAs)。研究表明，与传统方法相比，该方法可以实现快速定量反应，大幅度降低SMAs的合成成本，进一步增加了聚合物太阳能电池商业化上的可行性。博士生付宏远为第一作者。该工作得到了中科院化学所李永舫院士的指导，以及化学学院雷鸣教授在DFT理论计算上的帮助。

        近年来，新型SMAs的兴起极大促进了聚合物太阳能电池的发展，实现了超过18%的能量转换效率，也将该领域推向了一个新阶段。相对快速提升的效率，成本仍然是聚合物太阳能电池迈向商业化的主要瓶颈之一。SMAs通常由稠环给电子单元D和缺电子单元A连接形成A-D-A 或 A-DA'D-A 型分子结构。这种分子构型具有良好的光吸收能力，以及可灵活调控分子的能级和堆积特性。材料合成上，醛取代的稠环D单元与具有活性亚甲基的A单元，通过有机碱催化的Knoevenagel反应脱水形成双键得到SMAs。然而这种传统Knoevenagel反应，热力学上是可逆的，通常需要加入过量的A单元(6倍量)促使反应向产物方向进行。这样在造成大量物料浪费的同时，过量的A单元还会自缩合或者进一步和产物发生副反应，使得提纯步骤繁琐，产物价格昂贵。因此开发一种高效的合成方法是聚合物太阳能电池商业化进程中的重要环节。
        鉴于此，作者开发了一种低温、定量、快速的通过路易斯酸催化的Knoevenagel反应。反应中，D单元的醛基首先与酸酐形成高活性的中间体，再与具有活泼亚甲基的A单元发生缩合，定量得到目标产物，避免物料浪费和副产物生成。DFT理论计算表明，相对于传统的Knoevenagel反应路径，该反应路径在能量上更有利于产物的生成。这也有利于室温条件下该过程的顺利发生。该方法能够在克级制备的过程中达到98%的分离产率。使得明星分子Y6的合成成本大幅度降低(接近50%)。与此同时，该方法可以避免传统制备方法中卤素的大量使用，具有简单快捷的后处理方式，十分契合于放大生产的要求。该方法向大规模低成本制备可商用的聚合物太阳能电池迈出了坚实的一步。
       H. Fu, J. Yao, M. Zhang, L. Xue, Q. Zhou, S. Li, M. Lei, L. Meng, Z.-G. Zhang*, Y. Li, Nat. Commun.2022, 13, 3687.            https://doi.org/10.1038/s41467-022-31389-y
      


        文章来源：北京化工大学
        张志国，男，2004.9－2009.7 ，武汉大学化学与分子科学学院， 硕博连读；2007.9－2009.9，新加坡国立大学化学与生物工程系， 博士生联合培养；现任北京化工大学材料科学与工程学院教授、博导。至2019年4月，已在Nature Commun、J. Am. Chem. Soc、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等国际著名期刊上发表论文150余篇，包括ESI高引论文25篇，快速突破论文1篇，“中国百篇最具影响优秀国际学术论文”1篇，总引用超过10000次,入选Clarivate Analytics “全球高被引科学家”名单（2018）。