有机混合离子电子导体（OMIECs）是生物电子、神经形态工程的核心半导体材料，传统合成依赖钯催化的缩聚反应，存在成本高、毒性残留等问题。在国家自然科学基金委和中国科学院的支持下，中国科学院大学倪振杰团队联合中国科学院化学研究所王翰林研究员、厦门大学/天津大学胡文平教授开发一种二氮苝配体（Meo-DAPE）促进的铜催化直接芳基化缩聚（Cu-DArP），成功合成12个OMIEC聚合物。摆脱了常规共轭聚合物制备中使用的贵金属钯催化剂和有机金属试剂。在12个OMIEC材料中，聚合物P11表现出优异的性能，其μC * 值达876 F cm?1V?1s?1。该方法合成材料中的铜残留量符合生物安全标准，为可植入电子设备和健康监测设备提供了安全可靠的关键材料。

  2026年3月6日，相关研究以Cu-Catalyzed Direct Arylation Polycondensation Achieving Ultrahigh μC* Organic Mixed Conductors为题发表于《美国化学会志》（J. Am. Chem. Soc.），国科大博士研究生李尚宇，李学宁，王琛展以及化学所博士研究生赵嘉豪为本文共同第一作者。

图1 铜催化DArP和钯催化DArP的对比

一、研究背景：传统合成瓶颈亟待突破

  有机混合离子电子导体（OMIECs）因兼具离子和电子传输特性，在储能、人工突触、生物界面信号交互等领域具有不可替代的优势，是下一代柔性、生物相容电子器件的核心材料。但长期以来，OMIECs的合成高度依赖钯催化交叉偶联反应，且存在三大关键问题：一是钯作为贵金属，大幅推高合成成本；二是OMIECs单体中的寡聚乙二醇（OEG）链会干扰钯中心的配位，降低催化活性；三是经典的Stille、Suzuki缩聚反应需要有机金属试剂，不仅增加合成步骤，还会产生大量化学废料，且钯残留会带来生物毒性风险，限制其在生物医学领域的应用。而铜作为钯的同族元素，地壳中丰度高、毒性低，是理想的替代催化金属，但现有的铜催化体系存在催化负载高、单体适用范围窄、转化率低的问题，且尚未有成功应用于OMIECs合成的实际案例。因此，开发高效的铜催化体系成为该领域的研究关键。

二、核心创新：二氮苝配体赋能铜催化，实现高效普适合成

图2 铜催化DArP的配体设计及配体筛选

  为解决上述难题，研究团队以配体设计为核心，开发了全新的Cu-DArP催化体系，实现了OMIECs的无钯、原子经济化合成，核心突破体现在两方面：

1. 筛选出高效二氮苝配体：团队发现π共轭延伸是设计高效N,N-双齿配体的关键，通过对吡啶、菲咯啉等传统配体及二氮苝衍生物的系统筛选，确定5,8-二甲氧基-1,12-二氮苝（MeO-DAPE） 为最优配体。该配体兼具强给电子能力和刚性π平面结构，能稳定铜-配体复合物，将催化转化率提升至80%以上，远优于传统配体（最高仅18%）。

2. 构建通用催化体系：优化后的Cu-MeO-DAPE体系无需有机金属亲核试剂，可实现芳基卤化物与芳烃的交替偶联，且不受底物结构限制。团队成功合成了12种不同侧链、不同主链骨架的OMIEC聚合物，所有聚合物分离收率均超80%，数均分子量在19.8~41.7 kDa之间，展现出优异的普适性。此外，该体系的铜残留量经ICP-MS检测低至0.44 ppm，远低于美国食品和营养委员会（FNB）的安全限值，满足生物相容器件的使用要求，从根源上解决了贵金属残留的毒性问题。

三、性能突破：P11聚合物刷新DPP基OMIEC性能纪录，并成功制备低电压驱动的电化学突触

图3 聚合物的OECT器件及性能测试

  对12种聚合物的全面表征显示DPP-噻吩并吡咯二酮骨架的P11聚合物性能突出，载流子迁移率达6.25 cm2V?1s?1，综合性能指标μC*显著优于传统钯催化产物，高达876 F cm?1V?1s?1，在DPP基OMIEC材料中处于领先水平。这一优异表现源于其紧密的π-π堆积和疏松的层状堆积结构，实现了离子和电子传输的协同优化，且其薄膜表面光滑，进一步提升了混合传输效率。

  此外，团队还将P11应用于全固态电化学突触器件制备，采用离子凝胶解决水系电解质易蒸发问题，器件实现低电压驱动，施加脉冲电压时，输出电流能快速实现易化和抑制响应，且在250 s内保持可逆的突触特性，为神经形态计算器件开发提供了材料支撑。

图4 基于P11的全固态电化学突触器件结构及性能表征

五、研究意义与展望

  该研究开发的Cu-DArP方法，首次实现了OMIECs的高效、绿色、普适性无钯合成，相比传统钯催化体系，兼具成本低、毒性小、原子经济性高的优势，不仅解决了OMIECs合成中的贵金属依赖和废料问题，还为筛选高μC*值的OMIEC材料提供了高效工具。此外，该方法合成的聚合物具有优异的生物安全性和电化学性能，为其在植入式生物电子器件、人工突触、有机电化学晶体管（OECT）等领域的应用奠定了基础。研究团队表示，未来将进一步优化配体和催化体系，拓展单体适用范围，推动该方法的工业化应用，为下一代生物相容有机半导体的发展提供新的合成策略。

  文章链接 https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c19508