二维聚酞菁及其衍生物的合成、结构与性能研究

摘要

被誉为“二十一世纪功能材料”的酞菁化合物由于其独特的结构,优异的稳定性,光、电、磁学性能及催化性能而广泛应用于光电转化材料,光致变色材料,电致发光材料,化学传感器敏感材料以及电催化剂,光催化剂,多功能生物酶等各个领域。本论文采用自己首次合成的刚性结构的多官能团的四氰基吡嗪并芘为前躯体,采用海砂填埋法和真空封装法合成了大共轭体系的二维聚酞菁和聚金属酞菁衍生物(聚锌酞菁、聚钴酞菁、聚铜酞菁),并讨论了反应温度、反应时间对材料结构的影响,在最优实验条件下,合成的一系列聚酞菁及其衍生物呈带状,具有好的结晶性,高的比表面积和热稳定性。并主要研究了聚酞菁材料在重金属离子检测和电催化氧还原方面的应用。
　　 本论文以电化学阳极溶出伏安法为手段,采用三电极体系研究了聚酞菁及其衍生物修饰传感器对重金属离子的检测性能。研究发现:聚酞菁及其衍生物由于其庞大的共轭体系,电子传输能力很快,且平面骨架结构上活性位点增加,更多的重金属离子通过轴向配位而富集在电极表面,使其检测灵敏度显著提高。聚金属酞菁(聚锌酞菁衍生物)的传感器对铅离子检测的检出下限为10-10mol/L,并在10-9～10-8mol/L范围内与其峰电流强度具有线性相关性,线性系数O.984。聚酞菁修饰传感器对重金属离子检测性能的高低顺序为:Pb2+＞Cd2+＞Cu2+。其对铅离子检测具有优异的检测效果。其检出下限为10-13mol/L,并在5×10-11～10-9mol/L范围内与其峰电流强度具有线性相关性,线性系数为0.994。检测效果优于目前所报道的溶出伏安法得到的结果,在痕量重金属离子的高灵敏度检测方面具有重大意义。
　　 此外,本论文还研究了聚酞菁和聚金属酞菁衍生物对氧还原的电催化特性。以聚酞菁及其衍生物修饰的玻碳电极为工作电极,采用三电极体系和循环伏安法、极化曲线研究了修饰电极对氧还原的催化特性及其动力学过程。研究表明,聚酞菁和聚金属酞菁衍生物在碱性环境中对氧还原过程的控制步骤是扩散控制,且主要是以四电子反应为主,聚酞菁及其衍生物在碱性环境中对氧还原有很好的电催化特性。