近日，我所化学动力学研究室光电材料动力学研究组（1121组）吴凯丰研究员团队在光化学与光物理交叉领域研究中取得新进展。团队发现了一种质子穿梭辅助三线态能量转移的新机制，该机制可有效提升三线态能量转移的速率和效率。
在电子转移与能量转移过程中，质子的参与能够重塑化学体系的势能面，进而对反应动力学产生根本性影响。典型的例子是质子耦合电子转移过程（proton-coupled electron transfer）：在质子转移辅助下，电子转移能垒被有效降低，从而提升反应速率。该过程在自然界和人工系统中广泛存在，涵盖能源转换、催化合成、生物医学及环境科学等多个重要研究领域。除电子转移外，质子耦合同样可存在于能量转移过程中。近年来，科学家们在有机分子体系中发现了质子耦合单线态能量转移（proton-coupled energy transfer）机制。与传统共振能量转移机制不同，该机制无需能量供体的发射光谱与受体的吸收光谱重叠即可实现能量转移。其核心原因在于受体内部质子转移会形成一种能量低于供体激发能量的互变异构体，为能量转移的发生提供了必要条件。与单线态能量转移相比，三线态能量转移因具备独特的化学反应活性，在光化学和能源转换领域受到广泛关注。然而，截至目前，质子参与的三线态能量转移过程尚未见报道。
吴凯丰研究团队长期致力于量子点超快光物理与光化学研究，尤其在量子点-有机分子界面的三线态传能机制与应用方面开展了深入系统的研究。团队开发了非铅近红外量子点敏化的高效率三线态湮灭光子上转换体系，并用于快速高效的太阳光合成（Nat. Photonics，2023）；直接观测到量子点-有机分子杂化自由基对的自旋量子相干特性，初步实现了三线态光化学反应的高效磁场相干调控（Nat. Mater.，2025）。这些前期工作为进一步揭示无机-有机界面三线态传能新机制奠定了基础。
在本工作中，研究团队构建了低毒性蓝光硒化锌（ZnSe）量子点与苯酚-吡啶二分体的杂化体系，借助超快光谱和动力学同位素实验，揭示了从量子点到分子的质子穿梭辅助三线态传能（proton shuttle-assisted triplet energy transfer）新机制。该机制具体过程如下：ZnSe量子点经光激发后，空穴从量子点转移至苯酚分子，同时质子从苯酚的氧原子转移至吡啶的氮原子，形成苯酚氧自由基和吡啶𬭩盐；随后，电子从ZnSe量子点转移至苯酚氧自由基，同时质子从吡啶𬭩盐反向转移回苯酚氧原子。在两步电荷转移的过程中，质子在苯酚氧原子和吡啶氮原子之间来回穿梭，最终实现三线态激子从量子点向苯酚-吡啶二分体的高效转移。变温超快光谱实验显示，两步过程都无明显温度依赖性，表明质子穿梭主要以量子隧穿方式进行。这与团队计算得到的质子振动波函数交叠积分结果高度吻合。计算结果还表明，交叠积分在选择三线态能量转移通道而非其它电荷复合通道的过程中起到了关键性作用。
此外，研究团队发现，在吡啶基团上修饰强吸电子的三氟甲基取代基时，可改变电子转移与空穴转移步骤的先后顺序，但质子的穿梭特性保持不变。与不含活泼质子的对照体系相比，质子穿梭有效提升了量子点到分子三线态能量转移的速率和效率。
分子自旋三线态广泛存在于天然和人工能量转换体系中。本工作提出的质子穿梭辅助三线态传能新机制，补齐了质子耦合电子和能量转移机制研究领域的一块重要“拼图”，并为灵活调控三线态激子产率提供了新思路，在能源、环境、光化学等相关领域具有潜在应用价值。
上述工作以“Proton shuttle-assisted triplet energy transfer”为题，于近日发表在《自然-材料》（Nature Materials）上。上述工作得到了国家自然科学基金、中国科学院B类先导专项“基于极紫外光源的化学反应过渡态精准探测”、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、新基石科学基金会、中国科学院特别研究助理项目、中国博士后科学基金等项目的资助。（文/图 王朝龙）
