溶剂诱导富勒烯微纳米结构的可控合成及其性质研究

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富勒烯为一类具有高度共轭π电子结构的笼状分子,具有优异的理化性质。溶液自组装策略可将亚纳米尺度的富勒烯分子组装为微/纳米尺度的有序结构,从而便利了富勒烯相关应用的研究和推广。在富勒烯微/纳结构的溶液自组装过程中,溶剂环境复杂,导致其形成机理仍不明确,有目的性的调控难以实现。因此,本论文采用基于溶液自组装的液液界面沉积法合成了一系列新颖的富勒烯微/纳结构,并针对溶剂在富勒烯分子自组装过程中的引导机理进行了深入探讨,为富勒烯微/纳结构的设计合成提供了借鉴,且针对所形成微/纳结构的形貌特征,对其性质也进行了相应研究。主要内容分为以下四部分:(1)富勒烯分子在液液界面处的自组装行为难以调控,导致暴露面不确定的曲面结构从未获得。而选用高粘度的异丁醇为不良溶剂,苯甲醚为良溶剂时,可调控C60分子的生长行为,从而制备独特的曲面三维“大卫之星”状C60微晶,解决了曲面富勒烯晶体难以制备的难题。异丁醇的高粘度使C60分子的扩散受限,特定晶面难以生长为暴露面,最终形成无确定暴露面的曲面。此外,通过调整C60微晶的表面曲率可有效调控其光电性质。(2)带表面缺陷的富勒烯微/纳结构在光电和催化领域备受关注,但是产量最高的C60分子却由于其分子的高对称性而形成此类结构。而C60分子在苯乙醚/正丙醇分别作为良/不良溶剂时,可以实现先端部后侧壁的两步生长,从而形成侧壁带裂纹的C60微晶。表面裂纹的存在有助于光子吸收,从而使这些微晶的光致发光强度明显增强。此外,具有宽裂纹的微晶展现出基于静电作用的微观物质识别特性,为其生物应用奠定基础。(3)C70微/纳结构的种类远不及C60丰富。考虑到溶剂分子对富勒烯分子自组装行为的指导,带乙氧基的苯乙醚被选为良溶剂介入C70分子的自组装过程,并促使C70带状微米结构得以形成。单晶结构表明其晶格中苯乙醚的氧原子与C70的六元环间存在的孤电子对-π相互作用是带状结构形成的关键,这也为其他富勒烯分子类似结构的制备提供参考。并且通过简单地改变醇种类,可调控微米带的尺寸。经45°C和60°C处理,微米带表面会出现裂纹,这使其光致发光强度进一步提升。(4)开发了一种红荧烯结晶辅助C60微米片转化为纳米棒阵列的简单而又有效的策略。在预先制备的菱形C60微米片上滴加红荧烯的间二甲苯溶液,待挥发完,微米片便转化为晶态红荧烯掺杂的C60纳米棒阵列。当仅滴加间二甲苯溶剂时,只能形成随机分布的C60纳米棒。C60微米片与挥发形成的红荧烯晶体的晶面间距相匹配及两种分子间的电荷转移相互作用,促使C60微米片转化为纳米棒阵列。因高度有序的阵列结构与两种分子间的电荷转移相互作用,纳米棒阵列的光电流密度较随机排列的纳米棒在紫外区提高了31.2%。
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