通过推进分子设计并开发新兴材料，中国化学家正助力人类迈向更可持续的未来。
图注：清华大学化学系推动了下一代有机发光二极管（OLED）技术的发展。这项技术能够产生鲜艳的红、绿、蓝三色光。图片来源：清华大学化学系
从新款智能手机到新型电视，色彩鲜艳的显示屏凸显了有机发光二极管（OLED）技术的强大潜力。中国研究人员如今正聚焦于相关科学问题，希望为这类设备带来更加鲜明的色彩、更长的使用寿命，以及更高的能效表现。
这些工作，只是清华大学化学系的研究者们精准运用功能分子实现广泛应用的一个缩影。
“我们希望在分子尺度理解世界如何运作，并将这些知识用于开发新型材料。”清华大学化学系主任刘磊教授表示。
近一个世纪以来，从催化到功能材料，再到OLED，清华大学化学系持续产出推动科学和产业发展的研究成果。
原子尺度催化
催化是现代化学制造的基础，但这一领域长期面临一项根本性的挑战。均相催化中，催化剂与反应物处于同相，因而具有较高的活性和选择性，但分离与回收较为困难。非均相催化剂则易于回收，但催化剂纳米颗粒中的许多活性原子被埋藏在内部，无法参与反应，从而降低了原子利用效率。
清华大学化学系正在探索一类有望重塑反应设计理念的新型“单原子催化剂”。这类单原子催化剂由分散在活性炭等固体载体上的孤立金属原子构成，兼具精准性与实用性。
“单原子催化剂有望同时解决这两方面限制，因为它能够高效利用每个金属原子，同时又易于回收。”清华大学化学系李亚栋院士解释说，“挑战在于，如何使其在工业应用中保持稳定，并实现规模化。”
2016年，清华大学化学系的研究团队在加热负载于金属有机框架材料（MOF）“沸石咪唑酯骨架-8（zeolite imidazolate framework-8，ZIF-8）”上的钴纳米晶催化剂时，取得了一项关键突破。他们发现，从ZIF-8释放出的氮原子能够锚定迁移中的钴原子，防止其发生团聚，并使其以孤立单原子位点的形式均匀分散。
基于该发现，研究团队进一步开发了一种普适于多种金属的单原子催化剂制备策略，将其拓展至钯、铂、金等其他金属，制备出兼具热稳定性和高活性的催化剂1。
另一种策略则是通过加热三聚氰胺-甲醛聚合物，形成富氮碳材料。这类材料能够承载大量金属原子，从而支持单原子催化剂的规模化制备。
在此基础上，清华大学化学系已开发出多种催化体系，目前正开展中试规模测试，例如用于净化汽车尾气排放的单原子催化剂。他们希望推动单原子催化在工业中更广泛的应用，从而提升能效、加强环境保护，并促进可持续化学制造。
组装分子
从原子尺度的精准控制到分子之间相互作用的调控，清华大学化学系正进一步拓展研究边界，致力于通过氢键等微妙的非共价作用力，实现不同分子的动态组装。
这一领域被称为超分子科学，研究分子组装行为驱动超越传统化学的创新，并以此创造新型功能材料。
清华大学化学系的研究团队首先合成了大环分子，即具有内部空腔、可容纳较小“客体”分子的环状大分子。他们通过在一类杯状分子“杯芳烃”中引入氮和氧，调控了大环分子的电子性质，从而实现对多种分子或离子的选择性结合2。
他们还构建了其他类型的大环分子，包括由芳香环连接而成的冠芳烃结构。这些环状结构具有可调节的内部空间，因此能够高效容纳多种客体分子。此外，研究团队还开发出具有锯齿状边缘的高张力带状大环分子，这类分子可以进一步组装形成纳米尺度的管状结构3。
图注：在单原子催化中，单个金属原子被锚定在固体载体表面（左）；环状大环分子可容纳较小的“客体”分子，图中展示了这种超分子组装的方式（右）。图片来源：清华大学化学系
除设计新型大环分子外，他们还在超分子科学的其他方面取得了多项进展。
这当中包括阐明带负电离子如何与芳香体系中的π电子云发生相互作用，以及表征与芳香基团键合、处于较高氧化态的铜化合物4。研究团队还鉴定出由硒参与实现的动态共价键，提出了“超分子自由基”这一概念，并建立了可控超分子聚合的新方法。
“这些工作综合起来，让我们能以越来越高的精度实现超分子体系的构建、调控及功能化。”清华大学化学系王梅祥院士表示。
清华大学化学系正在探索如何让强共价键与较弱的分子间作用力协同作用，以构建新型功能超分子材料。王梅祥说，“这种策略将促进开发具有新兴功能的材料，并有望为可持续发展作出贡献。”
梦幻显示
“显示技术的视觉升级，离不开兼具高色纯度、高能效和高稳定性的OLED。”清华大学化学系段炼教授表示。“自1995年清华大学邱勇院士组建OLED团队以来，我们一直在为此努力，但同时实现这三个特性仍旧是行业面临的挑战。”
当电子与‘空穴’（电子离开后留下的空位）在有机层中复合，形成被称为激子的激发态时，OLED就会发光。
这些激子有两种形式，即单重态和三重态。但在传统荧光材料中，只有单重态能够高效发光。三重态则需要借助额外步骤才能发光，例如使用磷光材料或热活化延迟荧光（thermally activated delayed fluorescence，TADF）材料。
此前的OLED技术分别解决了部分问题。荧光材料能提供绚丽的色彩，但效率较低。磷光材料实现了接近100%的激子利用率，但成本高且色纯度有所下降。
随后出现的TADF材料通过热激活的方式，使得原本不发光的三重态能够转化为发光的单重态，但稳定性和色彩还原度较差。
2014年，清华大学化学系的研究团队结合磷光和TADF两种策略的优势，提出了“磷光辅助热活化敏化荧光”（Phosphor-Assisted Thermally Activated Sensitized Fluorescence，pTSF）技术。
在这一设计中，TADF材料首先产生激子，随后在磷光敏化剂的辅助下，将能量高效且快速地传递给窄带荧光发射体，从而将三重态转化为稳定的单重态发射，并提升器件的效率、稳定性与色纯度5。
该团队利用这一技术改进了绿色OLED，并已将其应用于中国的高端智能手机之中。目前，他们正进一步攻关红色OLED，以及长期以来更具挑战性的蓝色OLED。
未来化学
从基础研究到产业应用，清华大学化学系以科学为导向的自由学术环境激发了原创思想，并激励研究者们探索全球前沿的化学挑战。
展望未来，该系正将人工智能引入化学研究，以设计服务于能源、环境和生物医学等研究的下一代化学物质。
除此之外，清华大学化学系还致力于“让化学服务于社会进步”。他们的目标是将基础研究发现转化为能够塑造新兴产业并支撑其发展的关键技术。
庆祝清华大学化学系建系一百周年
清华大学化学系创建于1926年，是中国首批设立的化学系之一。在过去一个世纪中，该系在化学学科多个领域形成了深厚积累，并在与全球领先研究团队的合作中不断发展壮大。
清华大学化学系培养了一代又一代科学人才，他们如今活跃于学术界和产业界。依托先进的科研设施和扎实的研究基础，化学系为推动中国科学事业的发展做出了贡献。
参考文献：
1. Wei, S. et al. Nat. Nanotech. 13, 856–861 (2018).
2. Wang, M. X. Acc. Chem. Res. 45, 182–195 (2012).
3. Wang, M. X. et al. Acc. Chem. Res. 58, 2573–2585 (2025).
4. Wang, M. X. et al. Acc. Chem. Res. 53, 1364–1380 (2020).
5. Yin, C. et al. Nat. Commun. 16, 30 (2025).
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