香港城市大学王锋教授JACS：超快响应与发光可调的水致变色钙钛矿材料

王锋课题组科学百晓生

▲第一作者：博士生陈江坤、郭洋

通讯作者：王锋教授

通讯单位：香港城市大学

DOI：10.1021/jacs.2c10809

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水致变色材料以在遇水之后发光颜色发生转变为特征，目前已报道的水致变色材料存在缓慢的水致变色响应以及有限的颜色可调性等局限性。香港城市大学王锋团队开发了一种以稀土发光为基础的新型水致变色材料，具有超快响应（约20毫秒）和变色前后发光可调的特性，在传感与信息技术领域具有广泛的应用前景。

背景介绍

近年来，智能发光材料引起了越来越多的关注。水致变色材料就是一种新型智能发光材料，其特点是在水暴露后会发生明显的颜色变化，因其在传感，化学检测与信息技术中的前沿应用而引起了广泛关注。追求一种绿色环保，无毒无害，高性能的水致变色材料成为一种重要趋势。目前水致变色材料主要为高分子荧光材料，碳点和钙钛矿等，它们存在缓慢的水致变色响应以及有限的颜色可调性等局限性，传统的钙钛矿也因其固有的材料颜色而大大地限制了其应用。

本文亮点

1）开发了一种新型的零维Cs₃TbF₆:Eu³⁺钙钛矿晶体。

2）该晶体在接触水后，发生了向一维CsTb₂F₇:Eu³⁺（1%）晶体的相转变，进而触发相邻镧系元素卤化物多面体中Tb³⁺和Eu³⁺离子之间的能量耦合，导致发射颜色由绿色变为橙色。

3）通过改变掺杂的组成与浓度，可轻易地控制相变前后的发射颜色。

4）该相转变过程是超快的（约20毫秒）且可逆。

图文解析

▲图1: Eu³⁺掺杂的Cs₃TbF₆在水处理前后的结构与发光特性

要点：

对原始制备所得的Cs₃TbF₆:Eu³⁺ (1%)样品与水处理后的样品进行结构表征，结果表明原始样品在接触水后发生了从零维向一维结构转变的现象，引起了宿主离子Tb³⁺与掺杂离子Eu³⁺之间的发光从相对独立到互相关联。

▲图2: Eu³⁺掺杂的Cs₃TbF₆在水处理前后的光谱特性与机理研究

要点：

在相同波长激发下，该材料在遇水前后的发光颜色发生了明显的变化，并且变色速度快（约20毫秒）。机理研究表明相变是由于CsF的超高水溶性导致了其在遇水之后被水从晶体中剥离出来，从而引起了相变。

▲图3: 通过掺杂可控地微调相变前后的发光

要点：

通过改变掺杂成分与组成可轻易地微调相变前后的发光颜色。一方面，提高Eu³⁺离子掺杂浓度可调节原始晶体从绿色到橙色的变化。另一方面，进一步引入Y³⁺离子掺杂，可逐渐拉长两个发光中心的距离，进而可控地调节相变后的发光从橙色到绿色的变化。

▲图4: 掺杂的Cs₃TbF₆用于多维信息加密

要点：

此外，该材料还具备超高的光热稳定性与良好的可逆性能。通过联合使用具有不同掺杂成分的材料，可实现多维信息加密的应用。

课题组介绍

王锋，香港城市大学材料科学与工程学系教授。2006年于浙江大学取得博士学位，2007年至2012年在新加坡国立大学及新加坡科技研究局进行博士后研究，2012年9月起就职于香港城市大学。课题组主要从事镧系和过渡金属离子掺杂的纳米/微结构材料的合成、表征及其应用研究。研究内容包括：湿化学法和固相反应法合成新型纳米晶、微米晶和复合材料，并在纳米尺度上精确控制掺杂离子的浓度和空间分布，用以实现光谱调控；通过显微技术和光谱学技术对材料进行系统表征，促进理解和控制掺杂离子的相互作用；研究材料发光行为，主要涵盖光致发光（photoluminescence），力致发光（mechanoluminescence）和电致发光（electroluminescence）。曾获得Highly Cited Researcher by Clarivate Analytics (2018)，RGC Research Fellowship (2020)，Top 2% researcher in the world (2020, 2021 Report by Stanford University)，Fellowship of the Royal Society of Chemistry (FRSC) (2022) 等荣誉。

课题组目前正在招聘发光材料与器件方向的博士后，欢迎对该方向感兴趣的同学来信（fwang24@cityu.edu.hk）查询。

课题组主页：

http://staffweb1.cityu.edu.hk/fwang24/index.htm