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Null Exciton-Coupled Chromophoric Dimer Exhibits Symmetry-Breaking Charge Separation

化学 激子 化学物理 光诱导电荷分离 分子物理学 光化学 计算化学 物理 人工光合作用 凝聚态物理 有机化学 光催化 催化作用
作者
Ebin Sebastian,Mahesh Hariharan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (34): 13769-13781 被引量:79
标识
DOI:10.1021/jacs.1c05793
摘要

A comprehensive understanding of the structure-property relationships in multichromophoric architectures has pushed the limits for developing robust photosynthetic mimics and molecular photovoltaics. The elusive phenomenon of null exciton splitting has gathered immense attention in recent years owing to the occurrence in unique chromophoric architectures and consequent emergent properties. Herein, we unveil the hitherto unobserved null exciton coupling assisted highly efficient photoinduced symmetry-breaking charge separation (SB-CS) in a Greek cross (+)-oriented spiro-conjugated perylenediimide dimer (Sp-PDI2). Quantum chemical calculations have rationalized the infrequent manifestation of null exciton coupling behavior in Sp-PDI2. Negligible contribution of long-range Coulombic and short-range charge-transfer mediated coupling renders a monomer-like spectroscopic signature for Sp-PDI2 in toluene. The Greek cross (+)-arranged Sp-PDI2 possesses a selective hole-transfer coupling, facilitating the ultrafast dissociation of null excitons and evolution of the charge-separated state in polar solvents. Radical cationic and anionic spectroscopic signatures were characterized by employing femtosecond transient absorption spectroscopy. The substantial hole transfer electronic coupling and lower activation energy barrier of Sp-PDI2 accelerated the charge separation rate. The rate of charge recombination (CR) markedly decelerated due to falling into the inverted region of the Marcus parabola, where the driving force of CR is larger than the total reorganization energy for CR. Hence, the ratio of the rates for SB-CS over CR of Sp-PDI2 exhibited an unprecedently high value of 2647 in acetonitrile. The current study provides impeccable evidence for the role of selective charge filtering in governing efficient SB-CS and thereby novel insights towards the design of biomimics and advanced functional materials.

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