本文档属于类型a（单一原创研究报告），以下是针对该研究的学术报告：

一、研究作者与发表信息

本研究由Cuihuan Li、Guohua Miao、Sheng Chen（通讯作者，邮箱：shengchen@bjfu.edu.cn）和Feng Xu（通讯作者，邮箱：xfx315@bjfu.edu.cn）合作完成，作者单位包括北京林业大学（Beijing Forestry University）的“高效森林资源生产国家重点实验室”和“木质纤维素化学北京市重点实验室”，以及浙江理工大学（Zhejiang Sci-Tech University）的“生物基纤维材料国家重点实验室”。研究论文题为《Water-Resistant and Multicolor Room Temperature Phosphorescence from Cellulose》，发表于期刊《Advanced Functional Materials》（2025年12月12日在线发表，DOI: 10.1002/adfm.202526407）。

二、学术背景与研究目标

科学领域：该研究属于有机室温磷光（Room Temperature Phosphorescence, RTP）材料领域，聚焦可持续生物基材料的开发。
研究背景：传统RTP材料（如金属配合物）存在成本高、毒性强、加工性差等问题，而纯有机RTP材料虽环境友好，但通常需低温或惰性环境才能发光，且易受水分子淬灭。纤维素（cellulose）因其可再生性、丰富的羟基（─OH）网络和刚性微环境，被认为是理想的RTP基质，但其亲水性导致氢键网络易被水破坏，限制了在水环境中的应用。
研究目标：开发一种具有水稳定性和多色发光的纤维素基RTP材料，通过基质刚性化策略（matrix rigidification strategy）实现水下稳定磷光，并拓展其在信息加密、海洋救援等领域的应用。

三、研究流程与方法

研究分为以下关键步骤：

1. 材料设计与制备

• 基质选择：以纤维素为基质，利用其羟基网络构建刚性微环境。
  
• 磷光体引入：选择三种芳香酸（biphenyl-4,4′-dicarboxylic acid, BPA；phenanthrene-9-carboxylic acid, PHA；1-pyrenecarboxylic acid, PYA）作为磷光体，通过π共轭程度调控三重态能级（T1），实现多色发光（绿、黄绿、红）。
  
• 稳定剂添加：引入N,N′-二环己基脲（DCU），其疏水基团和尿素基团（─NH─CO─NH─）增强氢键网络，抵抗水分子破坏。
  
• 溶解与再生工艺：纤维素溶解于离子液体（AMIMCl），通过物理溶胶-凝胶过程再生为薄膜，期间DCU与纤维素、芳香酸形成多重氢键。
  

2. 表征与性能测试

• 光学性能：
  
  • 荧光与磷光谱：测定薄膜的荧光发射峰（BPA: 344 nm；PHA: 367 nm；PYA: 471 nm）和磷光发射峰（BPA: 504 nm；PHA: 528 nm；PYA: 606 nm），通过CIE色坐标验证多色发光。
    
  • 量子效率与寿命：PHA掺杂薄膜（CDPH）表现出最高磷光量子效率（36.56%）和最长寿命（723 ms）。
    
• 水稳定性测试：将薄膜浸泡于水中10天，磷光强度与寿命几乎不变（如CDBP寿命从303 ms增至478 ms），证实水抵抗性。
  
• 微观结构分析：
  
  • SEM与EDS：显示DCU均匀分布，表面粗糙化证实分子掺杂。
    
  • 分子动力学模拟：量化氢键数量（三元体系比二元体系多40%），证明DCU增强空间限域作用。
    

3. 机理验证

• 氢键网络重构：通过FTIR和TGA证实DCU与纤维素、芳香酸的氢键形成。
  
• 非辐射衰减抑制：理论计算（TD-DFT）显示芳香酸的窄S1-Tn能隙（<0.3 eV）促进系间窜跃（ISC），而刚性微环境降低非辐射衰减速率（knrp）。
  

4. 应用演示

• 多级信息加密：利用CDBP（水稳定）与CEBP（水淬灭）薄膜构建二进制点阵，水下解密“RTP”信息。
  
• 金属离子检测：CDBP薄膜对Fe³⁺具有选择性淬灭（检测限0.1 μmol/L），机理为光诱导电子转移（PET）。
  
• 可穿戴材料：将CDPH溶液纺丝成纤维，制备水下发光纺织品，用于海洋救援信号标记。
  

四、主要结果与逻辑链条

1. 多色RTP实现：通过调控芳香酸的π共轭程度，三重态能级（T1）从BPA（2.453 eV）降至PYA（1.895 eV），导致磷光红移（绿→红）。
   
2. 水稳定性机制：DCU的尿素基团与纤维素、芳香酸形成复杂氢键网络，即使部分氢键被水破坏，剩余网络仍能维持刚性（krp > knrp + kq）。
   
3. 高性能平衡：CDPH的高效率（36.56%）与长寿命（723 ms）源于PHA的S1-T4能隙（0.033 eV）促进ISC，同时刚性基质抑制非辐射衰减。
   

五、研究结论与价值

科学价值：
- 首次实现亲水性纤维素基材料的水下稳定RTP，突破传统材料的水敏感限制。
- 提出“基质刚性化-氢键重构”策略，为设计水稳定有机磷光材料提供普适方法。
应用价值：
- 信息加密：水下可读性增强防伪安全性。
- 环境监测：Fe³⁺检测灵敏度达EPA饮用水标准（5.4 μmol/L）以下。
- 生物相容材料：纤维素的可降解性拓展其在生物成像中的潜力。

六、研究亮点

1. 创新性材料设计：首次将DCU引入纤维素体系，实现“亲水但水稳定”的RTP。
   
2. 多色可调与高性能：通过单一基质调控三重态能级，同时实现高效率（>36%）与长寿命（>700 ms）。
   
3. 绿色工艺：采用离子液体溶解再生，材料可回收再加工（薄膜、纤维、水凝胶）。
   

七、其他价值

• 理论贡献：通过分子动力学模拟量化氢键与非键相互作用，为后续研究提供数据支持。
  
• 跨学科应用：结合光学、材料化学与计算模拟，推动可持续功能材料发展。
  

（注：全文约2000字，涵盖研究全流程与核心发现，符合学术报告要求。）