光响应性螺吡喃-苝二酰亚胺/石墨烯复合物的制备与表征

摘要

石墨烯是电学、光学、力学等物理化学性能非常优越的二维平面碳材料，这些优良的性能为石墨烯的应用带来了诱人的前景。螺吡喃衍生物是一类出色的光响应异构化分子，最近有研究被用来功能化碳纳米管和石墨烯，为获得响应型碳纳米管、石墨烯电子器件和传感器奠定了坚实的基础。因此，用螺吡喃来功能化石墨烯是具有重要科学意义的。
　　本文设计合成一种螺吡喃-苝二酰亚胺，这是可以将功能基团和吸附锚结合的一种新型分子。这种分子不仅仅可以对液相剥离石墨烯非共价键功能化，而且吸附之后复合物保持了螺吡喃结构较好的光响应性能，具有巨大的潜在应用价值。本文主要研究工作可以概括为以下几点:
　　1.合成了羟乙基螺吡喃分子、双侧脂肪链羧基取代的苝二酰亚胺分子和两者的酯化反应产物。螺吡喃-苝二酰亚胺是一种新型的分子，核磁共振和有机元素分析验证了其准确结构，使用紫外-可见吸收光谱对其光致异构化性能进行探索，结果表明它具有很好的光响应特性。
　　2.利用经典的液相剥离方法制备了高质量的石墨烯。其中液相剥离所使用的有机溶剂为N-甲基吡咯烷酮，剥离过程中用离心分离辅助去除剥离效果不好的石墨微晶，最终得到了高浓度、高质量的石墨烯分散液。通过透射电镜、原子力显微镜和拉曼光谱分析发现，所制备的石墨烯无氧化、缺陷少、层数少。
　　3.螺吡喃-苝二酰亚胺分子和石墨烯片层在溶液中发生吸附，抽滤得到石墨烯功能化材料即螺吡喃-苝二酰亚胺/石墨烯复合物。通过红外光谱、紫外-可见吸收光谱、荧光发射光谱证明了这种新型非共价键功能化方法是成功的，螺吡喃-苝二酰亚胺和石墨烯是吸附并不是简单地掺杂。原子力显微镜和透射电镜所展示的复合物形貌说明π-π吸附相对均一。
　　4.利用紫外-可见吸收光谱研究了功能化之后复合材料的开关性能。结果表明功能化效果理想基本保持了螺吡喃结构的开关性能，并且重复性好，响应快速。
　　论文的创新点就在于研究了一种简便有效的吸附锚为非共价键功能化石墨烯提供了新方法。并且，石墨烯功能化效果理想，基本保持了螺吡喃衍生物的开关性能。这种螺吡喃改性的石墨烯具有巨大的应用，例如在光响应开关和新型开关纳米器件等领域。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 石墨烯的概述

1．2 石墨烯的制备方法

1．2．1 微机械剥离法

1．2．2 化学气相沉积法

1．2．3 晶体外延取向生长法

1．2．4 氧化石墨还原法

1．2．5 化学合成法

1．2．6 液相剥离法

1．3 液相剥离石墨烯概述

1．3．1 溶剂的选择

1．3．2 石墨烯的质量

1．3．3 工艺参数的优化

1．3．4 表面活性剂的影响

1．4 石墨烯的非共价键功能化

1．4．1 π-π相互作用

1．4．2 表面活性剂与石墨烯之间的疏水作用

1．4．3 氢键作用

1．5 课题提出与研究内容

第2章 光响应螺吡喃-苝二酰亚胺衍生物的合成及表征

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验原料与仪器

2．2．2 螺吡喃的合成

2．2．3 苝二酰亚胺的合成

2．2．4 螺吡喃-苝二酰亚胺衍生物的合成

2．2．5 结构与性能表征

2．3 结果与讨论

2．3．1 傅里叶变换红外光谱分析

2．3．2 核磁共振1H-NMR分析

2．3．3 有机元素分析

2．3．4 光响应异构化分析

2．4 小结

第3章 液相剥离石墨烯及其光响应复合物的制备及表征

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验原料与仪器

3．2．2 液相剥离石墨烯的制备

3．2．3 螺吡喃-苝二酰亚胺衍生物／石墨烯复合物的合成

3．2．4 结构与性能表征

3．3 结果与讨论

3．3．1 傅里叶变换红外光谱分析

3．3．2 紫外-可见吸收光谱分析

3．3．3 热重分析

3．3．4 拉曼光谱分析

3．3．5 荧光发射光谱分析

3．3．6 透射电镜分析

3．3．7 原子力显微镜分析

3．3．8 光响应性分析

3．3．9 石墨烯对复合物异构化的影响

3．4 小结

结论及展望

参考文献

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录