溶剂对富勒烯C60微纳米晶体的影响

来源 :青岛科技大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:xiaoxie20092009
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富勒烯C60因其笼状对称结构和高度离域的共轭π电子体系所赋予的特殊电子结构和化学反应活性受到了研究者的广泛关注。但是,其零维形貌导致C60分子在光、电、磁等物理性能上呈现各向同性,因此应用受到限制。目前,可通过分子自组装法构筑具有一定形貌的富勒烯微纳米晶体(fullerene micro/nanocrystals,FMNCs)即纤维状一维富勒烯微纳米晶体(one-dimensional FMNCs,1D FMNCs),片状二维富勒烯微纳米晶体(two-dimensional FMNCs,2D FMNCs)及块状三维富勒烯微纳米晶体(three-dimensional FMNCs,3D FMNCs),可使材料兼具富勒烯单体的特殊性质和独特的维度、尺寸效应。因此,FMNCs的可控制备具有十分重要的意义。本学位论文系统地研究了良溶剂和不良溶剂对C60 FMNCs的形貌和晶体结构的调控作用和规律,并且进一步提出了溶剂对其生长影响的可能机理。其具体内容如下:1.首次利用对C60溶解度不同的三种二甲苯溶液作为良溶剂通过溶剂蒸发法实现了对FMNCs的生长调控。利用光学显微技术(optical microscopy,OM)、扫描电子显微技术(scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射图谱(X-ray diffraction pattern,XRD)分析发现制备晶体的形貌和结构依赖于体系所用的良溶剂对C60的饱和溶解度。当选用溶解度较大的邻二甲苯时,可制备具有六方密堆积(hexagonal close-packed,HCP)和面心立方(face-centered cubic,FCC)混合结构的3D FMNCs,若采用中等溶解度的对二甲苯,产物为具有FCC结构的2D FMNCs,而使用溶解度最小的间二甲苯时,可以制备具有HCP结构的1D FMNCs,并且采用不同的制备方法结果均类似。此外,利用红外光谱(Fourier transform infrared spectra,FT-IR)、拉曼光谱、热重分析(thermogravimetric analysis,TGA)、差示扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)对制备的FMNCs进行组分分析,同时使用软件Material Studio对上述三个体系进行结构优化和能量模拟,从而对FMNCs的生长机理提供合理的解释。结果表明,C60良溶剂的饱和溶解度对晶体在各个方向上的生长程度和形成稳定HCP溶剂化结构的能量大小有所影响,这为富勒烯C60微纳米材料的可控制备提供了实验和理论依据。2.首次采用极性参数依次减小的不良溶剂与C60的甲苯饱和溶液通过液液界面析出法(liquid-liquid interface precipitation method,LLIP)制备FMNCs,通过偏光显微技术(polarizing optical microscopy,POM)和XRD对培养的FMNCs的光学各向异性的持久性和晶体结构的稳定性进行研究,发现当选用甲醇、乙醇、正丙醇和正丁醇作为不良溶剂时,随着所用溶剂极性的减小,产物的光学各向异性和溶剂化结构的稳定性会随之延长。而当使用极性更小的正戊醇、正己醇和正辛醇时,这些溶剂化物的结构却只能保持2 d。其中C60/甲苯/正丁醇体系制备的1D FMNCs的光学各向异性持久性可以提高到5 d,其溶剂化正交和六方混合的晶系结构也可稳定存在7 d以上,成为目前通过LLIP法制备的C60/甲苯体系的光学各向异性保持最久的1D FMNCs。3.作为对照实验,利用与上述相同的醇类和难挥发的间二甲苯分别作为不良溶剂和良溶剂制备C60 FMNCs并对其产物进行同样的分析测试,所得结果基本和甲苯体系一致,即选用极性递减的不良溶剂,产物的光学各向异性持久性和溶剂化结构稳定性均是先增大后减小。尤其是对于C60/间二甲苯/正丁醇体系制备的1D FMNCs,其产物的光学各向异性和HCP的溶剂化结构可保持半个月以上,比已知文献报道的相同方法制备的间二甲苯体系溶剂化物的光学各向异性保持时间都久,这对于获得具有持久光学各向异性的1D FMNCs,拓展其在光学偏振片和直线偏振发光器件等光电设备领域的发展具有重要意义。
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