研究发现质子穿梭辅助三线态传能新机制

在电子转移与能量转移过程中，质子的参与能够重塑化学体系的势能面，进而对反应动力学产生根本性影响。近年来，科学家们在有机分子体系中发现了质子耦合单线态能量转移机制。与单线态能量转移相比，三线态能量转移因具备独特的化学反应活性，在光化学和能源转换领域受到广泛关注。然而，学界对质子参与的三线态能量转移过程尚不明晰。

近日，中国科学院大连化学物理研究所团队发现了一种质子穿梭辅助三线态能量转移的新机制，该机制可有效提升三线态能量转移的速率和效率。

研究团队构建了低毒性蓝光硒化锌（ZnSe）量子点与苯酚—吡啶二分体的杂化体系，借助超快光谱和动力学同位素实验，揭示了从量子点到分子的质子穿梭辅助三线态传能新机制。该机制具体过程如下：ZnSe量子点经光激发后，空穴从量子点转移至苯酚分子，同时质子从苯酚的氧原子转移至吡啶的氮原子，形成苯酚氧自由基和吡啶𬭩盐；随后，电子从ZnSe量子点转移至苯酚氧自由基，同时质子从吡啶𬭩盐反向转移回苯酚氧原子。在两步电荷转移的过程中，质子在苯酚氧原子和吡啶氮原子之间来回穿梭，最终实现三线态激子从量子点向苯酚—吡啶二分体的高效转移。变温超快光谱实验显示，两步过程均无明显温度依赖性，这表明质子穿梭主要以量子隧穿方式进行，这与团队计算得到的质子振动波函数交叠积分结果高度吻合。计算结果表明，交叠积分在选择三线态能量转移通道，而非其他电荷复合通道的过程中起到了关键性作用。

研究团队还发现，在吡啶基团上修饰强吸电子的三氟甲基取代基时，可改变电子转移与空穴转移步骤的先后顺序，但质子的穿梭特性保持不变。与不含活泼质子的对照体系相比，质子穿梭有效提升了量子点到分子三线态能量转移的速率和效率。

分子自旋三线态广泛存在于天然和人工能量转换体系中。该研究提出的质子穿梭辅助三线态传能新机制，补齐了质子耦合电子和能量转移机制研究领域的一块重要“拼图”，为灵活调控三线态激子产率提供了新思路，在能源、环境、光化学等相关领域具有潜在应用价值。

相关研究工作发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。

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大连化物所发现质子穿梭辅助三线态传能新机制