西安交大前沿院何刚教授团队在光电功能界面方向取得新进展

　　近日，西安交通大学前沿科学技术研究院何刚教授团队围绕光电功能界面与电子传输调控开展系统研究，在光催化、规模化储能与智能传感等方向形成系列原创成果。聚焦紫精类功能分子的结构设计与界面耦合机制，近期两项工作分别从“离子—电子耦合调控”和“界面定向电子传输”两个层面，进一步拓展了紫精基功能材料在类脑计算与太阳能转化领域的应用潜力，也为发展低功耗智能器件与高稳定性能源催化体系提供了新的研究思路。相关成果均发表于国际化学领域权威期刊Angewandte Chemie International Edition，展现了团队在紫精基功能分子设计、离子/电子耦合调控及界面电子传输机制等方面的持续创新能力。
 

　　在有机电化学神经形态器件方向，团队聚焦神经形态计算中低功耗“存算一体”器件的发展需求，针对传统电化学离子门控器件在低电压工作条件下稳定性、可重复性与长期循环耐久性不足等问题，提出了基于分子工程与离子/电子协同调控的新策略。研究团队在紫精骨架中引入噻吩单元，构筑了噻吩紫精(thienoviologen)体系，并开发出高性能电化学神经形态器件(Electrochemical Neuromorphic Device)。该分子设计有效调控了材料电子结构与电化学活性，降低了能隙，并增强了可逆氧化还原及自由基相关过程的稳定性，使器件能够在低电压条件下实现连续可调的电导响应与可靠离子门控调制。器件在±1 V范围内即可实现稳定模拟突触行为，脉冲循环寿命达到十万次量级，并进一步实现了脉冲时序依赖可塑性(STDP)、联想学习电路以及NAND、XOR等双端逻辑运算，展现出“学习—计算”一体化的应用潜力。在卷积神经网络图像识别等任务中，该器件作为模拟突触权重表现出良好的识别准确率与鲁棒性，为紫精基有机材料在低功耗类脑计算与智能电子器件中的应用提供了新路径。
 

　　相关成果以Bioinspired High-Performance Neuromorphic Devices Enabled by Thienoviologen-Based Electrochemical Ion Gating(《基于噻吩紫精电化学离子门控的仿生高性能神经形态器件》)为题发表于 Angewandte Chemie International Edition(《德国应用化学》)，并入选Frontispiece。前沿院博士研究生孙思宇、副教授张越巘为共同第一作者，何刚教授为通讯作者。
 

　　与此同时，在紫精基光催化方向，团队针对传统光催化体系中光生载流子复合严重、界面电子传输效率低以及结构稳定性不足等关键问题，提出“平行界面工程”新策略，通过构筑硒紫精电子介体与单原子Pt/缺陷g-C3N4之间的双共价平行界面，建立稳定高效的定向电子传输通道，实现了界面电子流的精准调控。研究表明，该平行界面结构显著增强了界面电子耦合与电荷分离效率，促进光生电子快速迁移至催化位点。超快光谱与理论计算结果共同证实，该“电子天桥”结构将正向电子转移速率提升至0.043 L·g-1·s-1，电荷分离寿命延长至7998.8 ps。在可见光条件下，体系实现了3231.9μmol·h-1·g-1的产氢速率以及1390.6 μmol·h-1·g-1的苄胺氧化速率，在连续144小时循环测试后仍保持92%的初始产氢活性，表现出优异的结构稳定性与循环耐久性。该工作系统比较了静电连接、单边共价连接与双共价平行连接等不同界面构筑模式，结合界面调控、电子介体构筑与单原子催化，为解决光催化体系中界面电子传输效率低与结构易失稳等问题提供了新的分子设计思路。
 

　　相关成果以Parallel Interface Engineering of Single-Atom Pt/g-C3N4 and Selenoviologen for Durable Photocatalysis via Efficient Directional Electron Flow(《单原子Pt/g-C3N4与含硒紫精的平行界面工程：通过高效定向电子传输实现稳定光催化》)为题发表于Angewandte Chemie International Edition(《德国应用化学》)。前沿院博士研究生张朝光为论文第一作者，何刚教授、李国平副教授为共同通讯作者。
 

　　相关研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、西安交通大学自主创新能力提升项目、中央高校基本科研业务费、博士后科学基金以及西安交通大学分析测试共享中心、高性能计算平台等支持。