核磁共振是一种非常重要的分析检测技术，在化学、材料、生物、医学等研究领域扮演至关重要的角色。然而由于信号激发和采集系统的局限性，传统核磁共振技术通常无法对物理化学过程中的暂态结构和变化进行原位观测，这极大限制了核磁共振在光电材料理论机制方面的研究。研发适合光电材料的原位核磁共振技术，探索材料光电响应中的新物理现象和过程，一直是核磁共振领域和光电材料领域科学家们追求的目标。
图1. 光原位磁共振探测装置示意图
科学领域的突破通常源于相关理论机制的突破，而理论机制的突破与新型探测手段的研发密切相关。针对光电材料光响应过程的原位核磁探测难题，姚叶锋团队研发了一种新型磁共振信号探测装置（如图1）。该装置创新性地将不同波长和功率的光导入磁共振探测装置，实现了待测样品在各种光照条件下的原位磁共振探测。利用该装置，研究人员可以方便地对各类光电材料在不同光照条件下诱导的暂态结构和变化进行原位核磁探测，解决了光诱导暂态结构和变化的观测难题。
图2. a) 基于新型钙钛矿光电材料(MAPbI3)的光探测器示意图和该光探测器的光响应曲线图；b) 在避光和光照条件下，MAPbI3材料的原位单晶核磁共振谱图。
利用所研发的新型磁共振探测装置，姚叶锋团队对新型钙钛矿光电材料(MAPbI3)中Pb-I键受光激发导致的结构变化进行了原位观测。研究发现，在光照条件下，该类材料出现一种可逆的超慢晶体结构调整过程。该过程与这一材料宏观光电响应保持惊人的一致（图2a）。通过深入细致地研究，研究人员发现，MAPbI3中的MA阳离子（CH3NH3+）在光照诱导下会缓慢调整其在晶格中的取向（图2b）。而伴随着MA阳离子取向调整，材料晶格中的Pb-I键发生形变，进而导致材料带隙的减小和吸收系数的增加。上述发现建立了材料中分子层次的光诱导暂态变化与光电器件光响应的关联性，成功揭示了钙钛矿光电材料研究中长期未获理解的光电流稳定性之谜，为提升相关光学器件的光电流稳定性提供了全新的研究思路。
近年来，利用所研发的光原位核磁技术，姚叶锋研究员和王雪璐青年研究员团队对光和物质相互作用过程中暂态物理化学过程开展了一系列研究工作，主要包括：一、通过光原位核磁技术揭示了固液真实反应条件下光催化剂表面各种化学物质的演变轨迹（Journal of Physical Chemistry Letters 2020, 11, 9, 3738-3744；Journal of Catalysis 2019, 378, 36–41）；二、通过光原位核磁技术成功揭示了表面等离子体共振（SPR）效应对光催化剂表面化学反应的影响（Journal of Catalysis 2020, 382, 173-180)；三、将上述光原位核磁技术移植到低场核磁（LF-NMR），首次在低场核磁上实现了对样品不同空间中Cr(III)离子浓度的定量检测（Environmental Science: Nano 2020, 7, 2823-2832)。上述研究工作实例展示了姚叶锋团队研发的新型光原位核磁方法在光电材料性能转化机制研究方面的巨大应用潜力，有望成为光电材料微观机制研究的通用性平台。鉴于在光原位核磁的突出贡献，国际重要期刊杂志Journal of Physical Chemistry C主编给姚叶锋研究员发出了约稿邀请。
以上研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委以及华师大微观磁共振平台的共同资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.09.004
https://dx.doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c00972
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.08.016
https://doi.org/10.1016/j.jcat.2019.12.006
https://doi.org/10.1039/d0en00384k
图文、来源｜物理与电子科学学院编辑｜彭佳编审｜吕安琪
