耶魯大學(xué)研發(fā)出一種低成本顯示面板用綠色發(fā)光材料替代方案

CINNO Research產(chǎn)業(yè)資訊，近日，化學(xué)期刊《Chem》刊發(fā)了耶魯大學(xué)綠色化學(xué)與綠色工程中心的一項(xiàng)重要研究成果—— 研究團(tuán)隊(duì)以造紙工業(yè)廢料木質(zhì)素和生物基氨基酸衍生物為核心原料，成功開發(fā)出一種兼具優(yōu)異光電性能與可持續(xù)特性的固態(tài)發(fā)光材料。該材料不僅打破了傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光材料對(duì)有毒重金屬的依賴，實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)359毫秒的室溫磷光壽命，更通過綠色合成工藝將工業(yè)廢料轉(zhuǎn)化為高價(jià)值功能材料，為全球光電子產(chǎn)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型提供了革命性解決方案。

根據(jù)外媒techxplore報(bào)道，實(shí)際上，固態(tài)發(fā)光材料作為現(xiàn)代科技的 “光之源”，已深度滲透至人類生產(chǎn)生活的多個(gè)領(lǐng)域。從日常使用的OLED顯示屏、智能手機(jī)屏幕，到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的熒光診斷試劑，再到建筑行業(yè)的被動(dòng)冷卻技術(shù)，其應(yīng)用場(chǎng)景覆蓋電子、醫(yī)療、能源、建筑等數(shù)十個(gè)產(chǎn)業(yè)。不過，當(dāng)前主流固態(tài)發(fā)光材料的發(fā)展卻面臨著 “高性能” 與 “可持續(xù)性” 的嚴(yán)重失衡。

傳統(tǒng)材料大多依賴鉑、金、鎘等重金屬或稀有金屬構(gòu)建發(fā)光核心：例如，鉑（II）配合物雖能實(shí)現(xiàn)55%-86%的固態(tài)薄膜光致發(fā)光量子產(chǎn)率，但其合成需使用四氯鉑酸鉀、二溴甲氧基吡啶等危險(xiǎn)試劑，且涉及多步復(fù)雜反應(yīng)；鎘硫族量子點(diǎn)的量子效率雖可達(dá)24%，卻因鎘的高毒性和生物累積性，對(duì)環(huán)境和人體健康構(gòu)成長(zhǎng)期威脅。更重要的是，這些材料的生產(chǎn)過程往往伴隨高溫煅燒（200℃-800℃）、大量有機(jī)溶劑消耗等問題，不僅能源消耗巨大，還會(huì)產(chǎn)生大量有害廢棄物，與全球 “雙碳” 目標(biāo)和綠色發(fā)展理念背道而馳。

與此同時(shí)，另一項(xiàng) “資源浪費(fèi)” 現(xiàn)象同樣引人關(guān)注：作為木質(zhì)纖維素生物質(zhì)的重要組成部分，木質(zhì)素是全球最豐富的可再生芳香族生物聚合物，每年僅造紙工業(yè)就會(huì)產(chǎn)生數(shù)千萬噸木質(zhì)素副產(chǎn)品。但令人惋惜的是，目前全球木質(zhì)素的利用率不足2%，其余均被直接焚燒發(fā)電或填埋處理 —— 這不僅造成巨大的資源浪費(fèi)，焚燒過程中產(chǎn)生的污染物還會(huì)加劇環(huán)境負(fù)擔(dān)。如何將這種 “工業(yè)廢料” 轉(zhuǎn)化為高價(jià)值功能材料，成為綠色化學(xué)領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵課題。

在此背景下，耶魯大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)以“綠色化學(xué)十二原則” 為指導(dǎo)，歷經(jīng)數(shù)年攻關(guān)，最終開發(fā)出以木質(zhì)素和組氨酸（或其甲酯）為核心的固態(tài)發(fā)光材料體系，實(shí)現(xiàn)了 “原料可持續(xù)、性能卓越化、工藝綠色化” 的三重突破。

該研究團(tuán)隊(duì)徹底摒棄傳統(tǒng)發(fā)光材料對(duì)重金屬和化石基原料的依賴，構(gòu)建了一種全生物基原料體系。他們選用造紙工業(yè)產(chǎn)生的堿木質(zhì)素（AL）為原料，通過乙酸乙酯萃取法制備精制木質(zhì)素（RL）。這種精制木質(zhì)素不僅具備優(yōu)異的光酸特性，還能通過激發(fā)態(tài)質(zhì)子轉(zhuǎn)移（ESPT）過程觸發(fā)熒光發(fā)射，成為天然的 “發(fā)光核心”。另一方面，研究團(tuán)隊(duì)選用的組氨酸及其基質(zhì)材料均來源于生物資源—— 組氨酸廣泛存在于富含蛋白質(zhì)食品的廢棄物中，可通過微生物發(fā)酵制備；組氨酸甲酯則可通過溫和的一步甲基化反應(yīng)合成，且在體內(nèi)可輕松轉(zhuǎn)化為組氨酸，生物安全性極高。通過精準(zhǔn)調(diào)控木質(zhì)素與組氨酸衍生物的配比，研究團(tuán)隊(duì)制備的材料展現(xiàn)出令人矚目的光電性能：

這些材料體系均表現(xiàn)出ESPT誘導(dǎo)的熒光發(fā)射，且在酚羥基含量為一定值時(shí)能夠達(dá)到最佳發(fā)光強(qiáng)度。尤為值得關(guān)注的是，組氨酸甲酯/精制木質(zhì)素體系（His-ME/RL）展現(xiàn)出顯著的室溫余輝磷光特性 —— 其磷光壽命最長(zhǎng)可達(dá)359毫秒，遠(yuǎn)超多數(shù)已報(bào)道的木質(zhì)素基發(fā)光材料。更關(guān)鍵的是，這種磷光特性無需重金屬催化系間竄越（ISC），而是通過組氨酸甲酯基質(zhì)提供的剛性框架和 H - 聚集效應(yīng)，有效穩(wěn)定三重激發(fā)態(tài)，徹底解決了傳統(tǒng)磷光材料的 “毒性痛點(diǎn)”。

在合成工藝上，該研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種溫和、高效的制備方法：1.反溶劑結(jié)晶法：低能耗的 “精準(zhǔn)組裝”。針對(duì)組氨酸/精制木質(zhì)素和組氨酸甲酯/精制木質(zhì)素體系，團(tuán)隊(duì)通過反溶劑結(jié)晶法實(shí)現(xiàn)材料的精準(zhǔn)組裝。整個(gè)過程在室溫下進(jìn)行，無需高溫、高壓或復(fù)雜催化體系，即可實(shí)現(xiàn)木質(zhì)素在基質(zhì)中的均勻分散。2.共結(jié)晶法：高利用率的 “簡(jiǎn)單工藝”。對(duì)于精制木質(zhì)素體系，該團(tuán)隊(duì)采用乙酸乙酯共結(jié)晶法，通過超聲分散和低溫結(jié)晶即可完成制備，材料收率達(dá)98%以上，且無有害廢棄物產(chǎn)生。

為闡明材料的發(fā)光機(jī)制，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合多種先進(jìn)表征技術(shù)和理論計(jì)算，揭開了木質(zhì)素-氨基酸基發(fā)的發(fā)光機(jī)制：1. 酚羥基是ESPT過程的“核心”：該研究團(tuán)隊(duì)通過硅烷化反應(yīng)開展對(duì)照實(shí)驗(yàn)：結(jié)果顯示，封閉酚羥基后，上述發(fā)光材料的熒光強(qiáng)度發(fā)生明顯的下降。這一結(jié)果證實(shí)，木質(zhì)素中的酚羥基是ESPT過程的核心 —— 在光激發(fā)下，酚羥基的酸解離常數(shù)從基態(tài)的約 10驟降至激發(fā)態(tài)的約3，極易發(fā)生去質(zhì)子化形成酚氧負(fù)離子，而該離子在弛豫回基態(tài)時(shí)就會(huì)釋放特定波長(zhǎng)的熒光，這正是材料熒光發(fā)射的核心機(jī)制。

2. 基質(zhì)框架是穩(wěn)定磷光發(fā)光的“結(jié)構(gòu)支撐”：通過粉末X射線衍射分析，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)組氨酸甲酯基質(zhì)為材料提供了關(guān)鍵的剛性框架：與精制木質(zhì)素體系不同，組氨酸甲酯/精制木質(zhì)素體系在增加木質(zhì)素含量后，粉末X射線衍射的特征峰的強(qiáng)度和峰形幾乎無明顯變化，這表明其晶體結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。這種剛性框架能有效抑制分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，減少非輻射衰減途徑，為三重激發(fā)態(tài)的穩(wěn)定提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

當(dāng)前OLED材料市場(chǎng)被重金屬基材料主導(dǎo)，而耶魯團(tuán)隊(duì)所開發(fā)的木質(zhì)素 - 氨基酸基材料有望打破這一格局。其優(yōu)異的熒光和磷光性能可滿足OLED顯示屏對(duì)發(fā)光強(qiáng)度和壽命的要求，且無重金屬毒性風(fēng)險(xiǎn)，可大幅提升產(chǎn)品的環(huán)境友好性。此外，通過調(diào)控木質(zhì)素與組氨酸衍生物的配比，材料的發(fā)光波長(zhǎng)可在429-459 nm之間精準(zhǔn)調(diào)控，未來有望實(shí)現(xiàn)全色發(fā)光，為柔性顯示、透明顯示等新興領(lǐng)域提供新方案。

該研究另外一項(xiàng)更為深遠(yuǎn)的意義，在于為工業(yè)廢料的高價(jià)值轉(zhuǎn)化提供了新范式。通過將造紙工業(yè)廢料木質(zhì)素轉(zhuǎn)化為高性能發(fā)光材料，不僅解決了木質(zhì)素的 “處置難題”，還創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。據(jù)估算，若將全球每年產(chǎn)生的木質(zhì)素中的10%用于制備發(fā)光材料，可替代數(shù)千萬噸傳統(tǒng)重金屬基材料，減少數(shù)百萬噸二氧化碳排放，為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入新動(dòng)力。

中國(guó)AMOLED顯示材料市場(chǎng)分析報(bào)告（大綱）

第一章 OLED顯示行業(yè)發(fā)展概述

一、 OLED顯示行業(yè)基本介紹

1. OLED產(chǎn)品分類

2. OLED基本結(jié)構(gòu)

3. OLED發(fā)光原理

4. OLED發(fā)展歷程

二、 AMOLED顯示行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈分析

1. AMOLED顯示面板整體材料結(jié)構(gòu)分析

2. AMOLED顯示面板制造生產(chǎn)工藝流程分析

第二章 全球中小尺寸AMOLED顯示材料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)

一、 全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場(chǎng)發(fā)展綜述

1. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場(chǎng)需求分析

1.1 智能手機(jī)

1.2 筆記本電腦

1.3 車載顯示

1.4 可穿戴

1.5 其他

2. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED顯示面板市場(chǎng)供應(yīng)分析

2.1 韓國(guó)

2.2 中國(guó)大陸

2.3 其他

3. 全球AMOLED顯示面板重點(diǎn)企業(yè)分析

3.1 三星顯示SDC

3.2 樂金顯示LGD

3.3 京東方BOE

3.4 TCL華星CSOT

3.5 天馬集團(tuán)Tianma

3.6 維信諾Visionox

3.7 和輝光電Everdisplay

3.8 信利Truly

3.9 友達(dá)光電AUO

3.10 日本顯示器JDI

3.11 夏普Sharp

二、 全球中小尺寸AMOLED顯示材料市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

1. 全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料市場(chǎng)規(guī)模分析

1.1 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

1.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商出貨量排名

1.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商營(yíng)收規(guī)模排名

2. 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

2.1 2018-2025年全球中小尺寸AMOLED共通層材料市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)

2.2 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商出貨量排名

2.3 2019-2020年全球中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商營(yíng)收規(guī)模排名

第三章 中國(guó)AMOLED顯示材料市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

一、 中國(guó)AMOLED顯示材料廠商市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析

1. 中國(guó)AMOLED發(fā)光層材料廠商市場(chǎng)規(guī)模分析

1.2 2019-2020年中國(guó)中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商出貨量排名

1.3 2019-2020年中國(guó)中小尺寸AMOLED發(fā)光層材料供應(yīng)商營(yíng)收規(guī)模排名

2. 中國(guó)AMOLED共通層材料廠商市場(chǎng)規(guī)模分析

2.2 2019-2020年中國(guó)中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商出貨量排名

2.3 2019-2020年中國(guó)中小尺寸AMOLED共通層材料供應(yīng)商營(yíng)收規(guī)模排名

3. 中國(guó)AMOLED顯示材料供應(yīng)商市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局分析（司南理論分析模型框架）

3.1 市場(chǎng)滲透力分析

3.2 產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力分析

3.3 技術(shù)延展力分析

3.4 資源整合力分析

3.5 綜合運(yùn)營(yíng)力分析

二、 中國(guó)AMOLED顯示材料供應(yīng)商產(chǎn)業(yè)地圖

1. 華東地區(qū)

2. 華北地區(qū)

3. 華中地區(qū)

4. 華南地區(qū)

第四章 總結(jié)和建議

一、 產(chǎn)業(yè)機(jī)遇與相關(guān)建議

二、 產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)與相關(guān)建議

三、 其他

馬女士 Ms. Ceres

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