Ion-in-Conjugation: A Promising Concept for Multifunctional Organic Semiconductors

Most organic semiconductors (OSCs) consist of conjugated skeletons with flexible peripheral chains. Their weak intermolecular interactions from dispersion and induction forces result in environmental susceptibilities and are unsuitable for many multifunctional applications where direct exposure to external environments is unavoidable, such as gas absorption, chemical sensing, and catalysis. To exploit the advantages of inorganic semiconductors in OSCs, ion-in-conjugation (IIC) materials are proposed. An IIC material refers to any conjugated material (molecules, polymers, and crystals) in Kekule's structural formula containing stoichiometric ionic states in its conjugated backbone in the electronic ground state. In this review, the definitions, structures, synthesis, properties, and applications of IIC materials are described briefly. Four types of IIC material, including zwitterionic conjugated molecules/polymers, conjugated ionic dyes, π-d conjugated molecules and polymers, and coordinatively doped polymers, are reported. Their applications in gas sensing, humidity sensing, resistive memory devices, and thermal/photo-/electro-catalysis are demonstrated. The challenges and opportunities for future research are also discussed. It is expected that this work will inspire the design of new organic electronic information materials.

Stabilisierung von Elektronentransferwegen erlaubt Stabilität von Biohybrid-Photoelektroden über Jahre

Die Nutzung natürlicher photosynthetischer Enzyme in biohybriden Anwendungen stellt eine attraktive und potenziell nachhaltige Möglichkeit zur Umwandlung von solarer Energie in Elektrizität und Brennstoffe dar. Jedoch begrenzt die Stabilität von photosynthetisch aktiven Proteinen nach der Implementierung in biohybride Anwendungsdesigns die operative Lebensdauer von Biophotoelektroden auf bisher wenige Stunden. In dieser Publikation demonstrieren wir, wie sich die Stabilität einer mesoporösen Elektrode, welche mit dem Photoprotein RC‐LH1 aus Rhodobacter sphaeroides beschichtet ist, erheblich steigern lässt. Durch die Aufrechterhaltung der Elektronenübertragungswege konnte die operative Lebensdauer unter Dauerlicht auf 33 Tage gesteigert werden und die operative Funktionalität nach einer Lagerung über mehr zwei Jahre hinweg demonstriert werden. Kombiniert mit hohen Photoströmen, die Spitzenwerte von 4.6 mA cm−2 erreichten, erzeugte die optimierte Biophotoelektrode eine kumulative Leistung von 86 C cm−2, die höchste bisher berichtete Leistung für diese Art von Elektroden. Unsere Ergebnisse zeigen, dass der Faktor, welcher die Stabilität einschränkt, die Architektur der Struktur ist, die das Photoprotein umgibt, sowie das entsprechende biohybride Sensoren und photovoltaische Geräte mit einer Betriebsdauer von mehreren Jahren möglich sind.

Sustaining Electron Transfer Pathways Extends Biohybrid Photoelectrode Stability to Years

The exploitation of natural photosynthetic enzymes in semi‐artificial devices constitutes an attractive and potentially sustainable route for the conversion of solar energy into electricity and solar fuels. However, the stability of photosynthetic proteins after incorporation in a biohybrid architecture typically limits the operational lifetime of biophotoelectrodes to a few hours. Here, we demonstrate ways to greatly enhance the stability of a mesoporous electrode coated with the RC‐LH1 photoprotein from Rhodobacter sphaeroides. By preserving electron transfer pathways, we extended operation under continuous high‐light to 33 days, and operation after storage to over two years. Coupled with large photocurrents that reached peak values of 4.6 mA cm⁻², the optimized biophotoelectrode produced a cumulative output of 86 C cm⁻², the largest reported performance to date. Our results demonstrate that the factor limiting stability is the architecture surrounding the photoprotein, and that biohybrid sensors and photovoltaic devices with operational lifetimes of years are feasible.