Triangular boron carbon nitrides: an unexplored family of chromophores with unique properties for photocatalysis and optoelectronics

文献情報

出版日 2021-05-26
DOI 10.1039/D1CP02026A
インパクトファクター 3.676
著者

Sebastian Pios, Xiang Huang, Andrzej L. Sobolewski, Wolfgang Domcke


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要旨

It has recently been shown that cycl[3.3.3]azine and heptazine (1,3,4,6,7,9,9b-heptaazaphenalene) as well as related azaphenalenes exhibit inverted singlet and triplet states, that is, the energy of the lowest singlet excited state (S1) is below the energy of the lowest triplet excited state (T1). This feature is unique among all known aromatic chromophores and is of outstanding relevance for applications in photocatalysis and organic optoelectronics. Heptazine is the building block of the polymeric material graphitic carbon nitride which is an extensively explored photocatalyst in hydrogen evolution photocatalysis. Derivatives of heptazine have also been identified as efficient emitters in organic light emitting diodes (OLEDs). In both areas, the inverted singlet–triplet gap of heptazine is a highly beneficial feature. In photocatalysis, the absence of a long-lived triplet state eliminates the activation of atmospheric oxygen, which is favourable for long-term operational stability. In optoelectronics, singlet–triplet inversion implies the possibility of 100% fluorescence efficiency of electron–hole recombination. However, the absorption and luminescence wavelengths of heptazine and the S1–S0 transition dipole moment are difficult to tune for optimal functionality. In this work, we employed high-level ab initio electronic structure theory to devise and characterize a large family of novel heteroaromatic chromophores, the triangular boron carbon nitrides. These novel heterocycles inherit essential spectroscopic features from heptazine, in particular the inverted singlet–triplet gap, while their absorption and luminescence spectra and transition dipole moments are widely tuneable. For applications in photocatalysis, the wavelength of the absorption maximum can be tuned to improve the overlap with the solar spectrum at the surface of earth. For applications in OLEDs, the colour of emission can be adjusted and the fluorescence yield can be enhanced.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

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自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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