To promote efficient use of solar energy, many studies have focused on the modification of TiO2 to extend its spectral response to visible region. Here we report a combined modification of TiO2 by two components: the nonmetal element boron and the metal oxide Ni2O3. The photocatalyst presents high photocatalytic activity in the visible region, which can efficiently degrade and mineralize toxic organic pollutants such as trichlorophenol (TCP), 2,4-dichlorophenol (2,4-DCP), and sodium benzoate. The dechlorination and mineralization results indicate the photocatalytic pathway via visible light excitation. The study demonstrates that the modification of TiO2 both to extend its spectral response to the visible region and to improve its catalytic efficiency can be achieved by doping with boron, a nonmetal, and Ni2O3, a metal oxide.

Using density functional theory coupled with Boltzmann transport equation with relaxation time approximation, we investigate the electronic structure and predict the charge mobility for a new carbon allotrope, the graphdiyne for both the sheet and nanoribbons. It is shown that the graphdiyne sheet is a semiconductor with a band gap of 0.46 eV. The calculated in-plane intrinsic electron mobility can reach the order of 10(5) cm(2)/(V s) at room temperature, while the hole mobility is about an order of magnitude lower.

Abstract The development of single molecule white light emitters is extremely challenging for pure phosphorescent metal-free system at room temperature. Here we report a single pure organic phosphor, namely 4-chlorobenzoyldibenzothiophene, emitting white room temperature phosphorescence with Commission Internationale de l’Éclair-age coordinates of (0.33, 0.35). Experimental and theoretical investigations reveal that the white light emission is emerged from dual phosphorescence, which emit from the first and second excited triplet states. We also demonstrate the validity of the strategy to achieve metal-free pure phosphorescent single molecule white light emitters by intrasystem mixing dual room temperature phosphorescence arising from the low- and high-lying triplet states.

Manipulation of the emission properties of pure organic room-temperature phosphors through molecular design is attractive but challenging. Tremendous efforts have been made to modulate their aggregation behaviors to suppress nonradiative decay in order to achieve efficient light emission and long lifetimes. However, success has been limited. To attain such a goal, here we present a rational design principle based on intrinsic molecular-structure engineering. Comprehensive investigations on the molecular orbitals revealed that an excited state with hybrid (n,π*) and (π,π*) configurations in appreciable proportion is desired. Tailoring the aromatic subunits in arylphenones can effectively tune the energy level and the orbital feature of the triplet exciton. Our experimental data reveal that a series of full-color pure organic phosphors with a balanced lifetime (up to 0.23 s) and efficiency (up to 36.0%) can be realized under ambient conditions, demonstrating the validity of our instructive design principle.

Band gap engineering of atomically thin two-dimensional (2D) materials is the key to their applications in nanoelectronics, optoelectronics, and photonics. Here, for the first time, we demonstrate that in the 2D system, by alloying two materials with different band gaps (MoS2 and WS2), tunable band gap can be obtained in the 2D alloys (Mo1–xWxS2 monolayers, x = 0–1). Atomic-resolution scanning transmission electron microscopy has revealed random arrangement of Mo and W atoms in the Mo1–xWxS2 monolayer alloys. Photoluminescence characterization has shown tunable band gap emission continuously tuned from 1.82 eV (reached at x = 0.20) to 1.99 eV (reached at x = 1). Further, density functional theory calculations have been carried out to understand the composition-dependent electronic structures of Mo1–xWxS2 monolayer alloys.

We summarize our recent progresses in developing first-principles methods for predicting the intrinsic charge mobility in carbon and organic nanomaterials, within the framework of Boltzmann transport theory and relaxation time approximation. The electron–phonon couplings are described by Bardeen and Shockley's deformation potential theory, namely delocalized electrons scattered by longitudinal acoustic phonons as modeled by uniform lattice dilation. We have applied such methodology to calculating the charge carrier mobilities of graphene and graphdiyne, both sheets and nanoribbons, as well as closely packed organic crystals. The intrinsic charge carrier mobilities for graphene sheet and naphthalene are calculated to be 3 × 105 and ∼60 cm2 V−1 s−1 respectively at room temperature, in reasonable agreement with previous studies. We also present some new theoretical results for the recently discovered organic electronic materials, diacene-fused thienothiophenes, for which the charge carrier mobilities are predicted to be around 100 cm2 V−1 s−1.

The excellent electroluminescent (EL) properties of 1,1-disubstituted 2,3,4,5-tetraphenylsiloles, 1-methyl-1,2,3,4,5-pentaphenylsilole (MPPS), and 1,1,2,3,4,5-hexaphenylsilole (HPS) have been found. Despite some studies devoted to these materials, very little is known about the real origin of their unique EL properties. Therefore, we investigated the structures, photoluminescence (PL), and charge carrier transport properties of 1,1-disubstituted 2,3,4,5-tetraphenylsiloles as well as the effect of substituents on these characteristics. The single crystals of the three siloles involving 1,1-dimethyl-2,3,4,5-tetraphenylsilole (DMTPS), MPPS, and HPS were grown and their crystal structures were determined by X-ray diffraction. Three siloles have nonplanar molecular structures. The substituents at 1,1-positions enhance the steric hindrance and have predominant influence on the twisted degree of phenyl groups at ring carbons. This nonplanar structure reduces the intermolecular interaction and the likelihood of excimer formation, and increases PL efficiency in the solid state. The silole films show high fluorescence quantum yields (75−85%), whereas their dilute solutions exhibit a faint emission. The electronic structures of the three siloles were investigated using quantum chemical calculations. The highest occupied molecular orbitals (HOMOs) and the lowest unoccupied molecular orbitals (LUMOs) are mainly localized on the silole ring and two phenyl groups at 2,5-positions in all cases, while the LUMOs have a significant orbital density at two exocyclic Si−C bonds. The extremely theoretical studies of luminescent properties were carried out. We calculated the nonradiative decay rate of the first excited state as well as the radiative one. It is found that the faint emission of DMTPS in solutions mainly results from the huge nonradiative decay rate. In solid states, molecular packing can remarkably restrict the intramolecular rotation of the peripheral side phenyl ring, which has a large contribution to the nonradiative transition process. This explains why the 1,1-disubstituted 2,3,4,5-tetraphenylsiloles in the thin films exhibit high fluorescence quantum yields. The charge carrier mobilities of the MPPS and HPS films were measured using a transient EL technique. We obtained a mobility of 2.1 × 10-6 cm2/V·s in the MPPS film at an electric field of 1.2 × 106 V/cm. This mobility is comparable to that of Alq3, which is one of the most extensively used electron transport materials in organic light-emitting diodes (LEDs), at the same electric field. The electron mobility of the HPS film is about ∼1.5 times higher than that of the MPPS film. To the best of our knowledge, this kind of material is one of the most excellent emissive materials that possess both high charge carrier mobility and high PL efficiency in the solid states simultaneously. The excellent EL performances of MPPS and HPS are presumably ascribed to these characteristics.

Room-temperature phosphorescence (RTP) with long afterglow from pure organic materials has attracted great attention for its potential applications in biological imaging, digital encryption, optoelectronic devices, and so on. Organic materials have been long considered to be nonphosphorescent owing to their weak molecular spin-orbit coupling and high sensitivity to temperature. However, recently, some purely organic compounds have demonstrated highly efficient RTP with long afterglow upon aggregation, while others fail. Namely, it remains a challenge to expound on the underlying mechanisms. In this study, we present the molecular descriptors to characterize the phosphorescence efficiency and lifetime. For a prototypical RTP system consisting of a carbonyl group and π-conjugated segments, the excited states can be regarded as an admixture of n → π* (with portion α) and π → π* (portion β). Starting from the phosphorescent process and El-Sayed rule, we deduced that (i) the intersystem crossing (ISC) rate of S1 → T n is mostly governed by the modification of the product of α and β and (ii) the ISC rate of T1 → S0 is determined by the β value of T1. Thus, the descriptors (γ = α × β, β) can be employed to describe the RTP character of organic molecules. From hybrid quantum mechanics and molecular mechanics (QM/MM) calculations, we illustrated the relationships among the descriptors (γ, β), phosphorescence efficiency and lifetime, and spin-orbit coupling constants. We stressed that the large γ and β values are favorable for the strong and long-lived RTP in organic materials. Experiments have reported confirmations of these molecular design rules.

It is a highly desirable but difficult task to predict the molecular fluorescence quantum efficiency from first principles. The molecule in the excited state can undergo spontaneous radiation, conversion of electronic energy to nuclear motion, or chemical reaction. For relatively large molecules, it is impossible to obtain the full potential energy surfaces for the ground state and the excited states to study the excited-state dynamics. We show that, under harmonic approximation by considering the Duschinsky rotation effect, the molecular fluorescence properties can be quantitatively calculated from first principles coupled with our correlation function formalism for the internal conversion. In particular, we have explained the peculiar fluorescence behaviors of two isomeric compounds, cis,cis-1,2,3,4-tetraphenyl-1,3-butadiene and 1,1,4,4-tetraphenyl-butadiene, the former being nonemissive in solution and strongly emissive in aggregation or at low temperature, and the latter being strongly emissive in solution. The roles of low-frequency phenyl ring twist motions and their Duschinsky mode mixings are found to be crucial, especially to reveal the temperature dependence. As an independent check, we take a look at the well-established photophysics of 1,4-diphenylbutadiene for its three different conformers. Both the calculated radiative and nonradiative rates are in excellent agreement with the available experimental measurements.

Research on materials with pure organic room temperature phosphorescence (RTP) and their application as organic single-molecule white light emitters is a hot area and relies on the design of highly efficient pure organic RTP luminogens. Herein, a facile strategy of heavy-atom-participated anion-π+ interactions is proposed to construct RTP-active organic salt compounds (1,2,3,4-tetraphenyloxazoliums with different counterions). Those compounds with heavy-atom counterions (bromide and iodide ions) exhibit outstanding RTP due to the external heavy atom effect via anion-π+ interactions, evidently supported by the single-crystal X-ray diffraction analysis and theoretical calculation. Their single-molecule white light emission is realized by tuning the degree of crystallization. Such white light emission also performs well in polymer matrices and their use in 3D printing is demonstrated by white light lampshades.