【AIE-COF】基于聚集诱导发射的共价有机框架用于高性能光无线通信

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摘要：
King Abdullah University of Science and Technology的Boon S. Ooi&Omar F. Mohammed&Saudi Arabia等报道的本篇文章（J. Am. Chem. Soc. 2024）中首次将共价有机框架（COFs）应用于光无线通信（OWC）领域。通过Knoevenagel缩合反应合成了一种聚集诱导发光（AIE）-COF，利用AIE发光体在固态下增强的发光特性，实现了高固态荧光量子产率（约39%）和短荧光寿命（约1纳秒），这对于实现高速OWC应用的调制带宽至关重要。与此相比，构建的聚集诱导猝灭（ACQ）基COF显示出相似的寿命但量子产率几乎可以忽略不计。AIE-COF采用正交频分复用（OFDM）调制策略，实现了高数据传输速率，调制带宽接近200 MHz，实现了高达825 Mb/s的净数据速率，超越了传统材料。

研究背景：
1）光无线通信（OWC）技术在高速数据传输方面具有巨大潜力，但传统无机材料如陶瓷或钙钛矿作为颜色转换荧光粉存在制备成本高、环境问题等挑战。
2）研究者开始探索有机/无机杂化材料，尤其是金属-有机框架（MOFs），以其独特的设计灵活性和可调的光学特性作为OWC应用中的优秀候选材料。
3）本研究利用AIE现象的独特性质，通过精确设计和调整COF结构，将AIE发光体与线性构建块整合，合成了AIE-COF，为OWC技术开辟了新的发展方向。

实验部分：
1. AIE-COF的合成：
   1) 将4′,4″,4′″′′′,4′′′′′′-(ethene-1,1,2,2-tetrayl)tetrakis(([1,1′biphenyl]-4-carbaldehyde)) (ETBC)和2,2′(1,4-phenylene)diacetonitrile (PDAN)按照一定比例混合。
   2) 在含有1,4-二氧六环（1.0 mL）作为溶剂和甲酸钠（NaOMe; 0.1 mL）作为催化剂的20 mL玻璃管中，将混合物在120°C下反应72小时。
   3) 反应后，通过过滤、洗涤和干燥得到AIE-COF固体。
2. ACQ-COF的合成：
   1) 将4,4′,4″,4‴-([9,9′-bicarbazole]-3,3′,6,6′-tetrayl)tetrabenzaldehyde (BCTB)和p-phenylenediamine (PD)按照一定比例混合。
   2) 在含有邻二氯苯（1.0 mL）、丁醇（1.0 mL）和少量醋酸（6 M AcOH; 0.05 mL）作为催化剂的20 mL玻璃管中，将混合物在120°C下反应72小时。
   3) 反应后，通过过滤、洗涤和干燥得到ACQ-COF固体。

分析测试：
1. 粉末X射线衍射（PXRD）：
   - AIE-COF的PXRD图谱显示在2θ = 3.64°处的峰对应于(110)晶面，以及在2θ = 19.1°处的宽峰对应于(001)晶面。
   - ACQ-COF的PXRD图谱在2θ = 3.37°、6.72°和10.04°处显示出强烈的峰，分别对应于(110)、(210)和(310)晶面。
2. 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）：
   - AIE-COF的FT-IR谱图中，C≡C伸缩振动带出现在1480 cm^−1处，C≡N伸缩振动带从2249 cm^−1移动到2213 cm^−1。
   - ACQ-COF的FT-IR谱图中，C≡NH伸缩振动带出现在1603 cm^−1处。
3. 固体13C交叉极化魔角旋转（CP-MAS）核磁共振（NMR）：
   - AIE-COF和ACQ-COF的13C CP-MAS NMR谱图中，苯环的芳香族碳信号分别出现在127.5 ppm和126.3 ppm。
4. 扫描电子显微镜（SEM）：
   - AIE-COF显示出紧密堆积的层状结构，ACQ-COF显示出均匀分布的松散聚集体。
5. 氮气吸附等温线：
   - AIE-COF的BET比表面积为106 m^2/g，孔径分布显示有4.8 nm的介孔和1.3 nm的微孔。
   - ACQ-COF的BET比表面积为1364 m^2/g，孔径分布显示有2.2 nm的介孔。
6. 热重分析（TGA）：
   - 两种COF材料均显示出在氮气氛围下高达400°C的热稳定性。
7. 荧光量子产率（PLQY）和荧光寿命：
   - AIE-COF的PLQY约为39%，荧光寿命约为1 ns。
   - ACQ-COF的PLQY约为1%，荧光寿命约为0.3 ns。

总结：
本文成功合成了AIE-COF，并证实了其在OWC应用中的高性能潜力。AIE-COF的高固态荧光量子产率和短荧光寿命使其在OWC系统中作为颜色转换器具有显著优势。通过精确控制COF材料的光学和光物理特性，本研究为设计和制造创新的OWC颜色转换荧光粉提供了新的可能性。

展望：
本研究为AIE-COF在OWC技术中的应用奠定了基础，未来的工作可以进一步探索AIE-COF在不同OWC系统中的应用，优化其光学性能，以及研究其在实际通信环境中的稳定性和耐久性。此外，研究者可以探索AIE-COF在其他光电应用中的潜力，如传感器、生物成像和光电子器件。

Aggregation Induced Emission-Based Covalent Organic Frameworks for High-Performance Optical Wireless Communication
文章作者：Swati Jindal,⊥ Jian-Xin Wang,⊥ Yue Wang, Simil Thomas, Arijit Mallick, Mickaele Bonneau, Prashant M. Bhatt, Omar Alkhazragi, Issatay Nadinov, Tien Khee Ng, Osama Shekhah, Husam N. Alshareef, Boon S. Ooi,* Omar F. Mohammed,* and Mohamed Eddaoudi*
DOI：10.1021/jacs.4c05812
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c05812

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