天津科技大学赵倩，李盛华AOM: 具有多彩余辉的无机-聚合物杂化材料

Wiley

2025-12-16

研究背景

自然界中，无机-聚合物杂化材料（如骨骼、贝壳）无处不在，它们因各组分的协同作用而具备卓越的综合性能。这类通过超分子力结合的材料被称为I类杂化材料。I类杂化物通常被认为是简单的混合物，无法赋予材料额外的特性。但是，本研究巧妙地证明了通过简单的物理改性，可以赋予材料全新的发光性能。PET本身含有对苯二甲酸酯发色团，但其固有的荧光或磷光非常微弱且短暂，无法实际应用，并且传统的发光PET材料通常需要添加稀土等发光组分，PET仅作为基体，难以拓展作为发光体，实现高值化利用。因此，探索PET材料通过简单的物理改性，实现长余辉发光性能既具有吸引力又具有挑战性。

文章概述

近日，天津科技大学赵倩-李盛华课题组发表了题为“Colorful Persistent Luminescence Induced by Inorganic-Polymer Hybridization”的文章。研究开发了一种简便、高效、可大规模制备的无机-聚合物杂化策略，核心方法非常简便：将PET与廉价的偏硼酸（MBA）通过简单的热加工处理（210°C, 5分钟）进行物理混合，即可得到杂化材料PET@MBA，成功让普通的PET塑料（包括废弃PET）以及多种其它聚酯，在室温下发射出明亮、持久、且颜色可调的长余辉，余辉时间长达13秒，磷光效率高达58.89%。并且以废旧的PET塑料瓶、纤维、薄膜为原料均可以制得余辉材料，所得材料的余辉经过8个月只衰减20%左右，该工作为废弃PET的高附加值转化和新型功能材料的开发提供了全新思路。

图文导读

图1. 无机-聚合物杂化材料的光物理性质。(a) 偏硼酸（MBA）、焦硼酸（PBA）以及脂肪-芳香族聚酯（包括PET、PEN、PEF、PBT、PBAT）的结构式。(b) PET@MBA、PEN@MBA、PEF@MBA、PBT@MBA 和 PBAT@MBA 在紫外灯（254 nm）开启时以及关闭后不同时间间隔的照片。(c) PET@MBA（激发波长 = 250 nm）、(d) PEF@MBA（激发波长 = 254 nm）和 (e) PEN@MBA（激发波长 = 244, 272 nm）的归一化瞬态光致发光光谱和延迟光致发光光谱（延迟时间：0.1 毫秒）。(f) 显示 PET@MBA、PBT@MBA、PBAT@MBA、PEF@MBA 和 PEN@MBA 发光颜色的 CIE 色度图。(g) PET@MBA（432 nm）、PEF@MBA（486 nm）、PEN@MBA-272 nm激发（512 nm）和 PEN@MBA-244 nm激发（552 nm）的磷光发射寿命衰减曲线。(h) 千克级规模的 PET@MBA 照片。

图2. PET@MBA杂化材料的表征。(a) PET（绿色曲线）、PET-MBA（洋红色曲线）和PET@MBA（黄色曲线）的核磁共振氢谱图；(b) PET的X射线光电子能谱全谱；(c) PET@MBA和(d) PET的C 1s轨道区域高分辨率XPS谱图；(e) MBA（黄色曲线）、210°C加热后的MBA（洋红色曲线）、PET（蓝色曲线）和PET@MBA（青绿色曲线）的傅里叶变换红外光谱；(f) MBA（洋红色曲线）、PET（绿色曲线）、210°C加热后的MBA（青绿色曲线）和PET@MBA（蓝色曲线）的粉末X射线衍射谱图。

图3. PET@MBA与商业染料之间的TS-FRET过程。(a) TS-FRET过程的示意图；PET@MBA的归一化磷光光谱（蓝色），以及(b) 溶剂红197（R，洋红色）和(c) 溶剂绿5（G，绿色）的归一化吸收光谱及其重叠区域（阴影部分）。（插图为染料R和G的分子结构）；(d) 显示余辉颜色变化轨迹的CIE色度图；(e) R-PET@MBA在染料R与PET的质量分数分别为0、0.6%、0.8%、1.4%、2.8%和5.0%时的延迟发光光谱（激发波长 = 250 nm）；(f) G-PET@MBA在染料G与PET的质量分数分别为0、0.35%、0.45%、0.40%、1.0%和1.2%时的延迟发光光谱（激发波长 = 250 nm）。

图 4. 无机-聚合物杂化材料的图案化应用。(a) 无机-聚合物杂化材料的模塑加工工艺流程；(b) 无机-聚合物杂化材料的溶液加工工艺流程；(c) 使用磷光蜡笔（蓝色：蜡/PET@MBA；青色：蜡/PEF@MBA；黄绿色：蜡/G-PET@MBA；洋红色：蜡/R-PET@MBA）绘制的中国传统山水画《山河落日图》在254 nm紫外灯开启及关闭后0.5秒、2秒、6秒的发光状态；(d) 由磷光薄膜和树脂制成的工艺品《平安夜》（蓝色：LDPE/PET@MBA；青色：LDPE/PEF@MBA；黄绿色：LDPE/G-PET@MBA；洋红色：LDPE/R-PET@MBA）在254 nm紫外灯开启及关闭后0.5秒、2秒、6秒的发光状态；(e) 基于PET的棋子重构名画《对弈图》中的棋局残局（蓝色：MBA涂覆PET；黄绿色：G和MBA涂覆PET）在254 nm紫外灯开启及关闭后0.5秒、2秒、6秒的发光状态。

结论

综上所述，本研究颠覆了人们对传统聚合物和I类杂化材料的认知，证明通过简单的物理改性完全能够为常规材料赋予全新的、卓越的光学功能。开发了一种简单、高效、可规模化制备的无机-聚合物杂化策略。使普通PET及多种聚酯自身成为高效长余辉发光体，余辉时间长达13秒，磷光效率高达58.89%。并且通过FRET机制实现了全彩余辉调控，在艺术、加密等领域实现应用。其具备优异的加工性能，可用于模塑和溶液加工，更展示了在艺术展示和信息加密等方面的应用潜力，并成功实现废弃PET的高附加值转化，为开发基于废弃物的新型功能材料提供了理想策略。这项工作不仅极大地拓展了聚酯材料的应用范围，也为未来设计开发新型功能材料开辟了新的道路。

期刊简介

Advanced Optical Materials是一个国际性的、跨学科的论坛，针对材料科学的同行评审论文，重点关注光-物质相互作用的各个方面。致力于光子学、等离子体、超材料等领域的突破性发现和基础研究。