偶氮苯液晶介导的高有序有机-无机杂化材料可控制备

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近几十年来,金属有机液晶由于金属离子特别是过渡金属离子的引入,赋予了相比有机液晶更丰富的性质和功能,如多彩的颜色、电效应、光效应和磁效应等,成为当前液晶材料等相关学科研究的热点;另一方面,由于具有许多特异的性能,纳米材料在光电、能源、催化、传感、航空航天和生物医药等领域有着广泛的应用前景。尽管在无机功能纳米材料的形貌控制方面已取得了一系列突破性的进展,然而由于纳米材料的形貌受多种因素的影响,可控合成仍是纳米材料制备的主要难点所在。另外,通过一系列的化学手段,采用“自下而上”的路径将纳米晶组装集成为具有高级结构的功能整体,对按需设计合成功能材料目标的实现具有重要意义。本论文基于新型烷基偶氮苯硫醇金属(银和铜)有机液晶介晶相行为的研究,进一步探索利用前驱体烷基偶氮苯硫醇银(铜)复合体系在较高温度下仍可持续存在的层状介晶相结构以及较慢的可控热还原速度特点,采用无溶剂热解法可控合成功能无机纳米材料,并同时实现一定程度的组装集成,构建功能化的有序组织纳米结构体系。另外,对不同间隔基长度偶氮苯硫醇液晶修饰金纳米粒子杂化体系的热性质、自组装超结构和固态光异构化响应进行了初步的研究。本论文的主要研究内容和创新点归纳总结如下。  1.首次将偶氮苯液晶基元引入烷基硫醇金属盐体系中,合成了一系列不同长度烷氧基尾链的从甲氧基到十二碳烷氧基的偶氮苯硫醇-银复合物金属有机液晶。采用示差扫描量热(DSC)和热台偏光显微镜(POM)研究了系列烷基偶氮苯硫醇化合物及烷基偶氮苯硫醇-银复合体系的热行为、相转变和液晶相结构;运用原位变温小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)研究了烷基偶氮苯硫醇-银复合体系自组织超结构;通过变温红外光谱(FTIR)研究了烷基偶氮苯硫醇-银复合体系内部自组织结构和烷基链构象随温度变化情况。结果表明,该系列硫醇-银复合物结晶时具有高有序层状结构,甲氧基尾链的硫醇-银复合物仅表现出结晶相,而六碳以上的己氧基到十二碳烷氧基的硫醇-银复合物形成高有序近晶相,与通常的直链烷基硫醇-银体系升温时呈现的较窄温度范围的胶束或六方柱状相形成鲜明对比。变温红外光谱表明由于偶氮苯液晶基元间的π-π相互作用和无机骨架的协同作用,复合体系中相邻的二条烷基链以正交亚晶胞方式堆积,这种结构可能正是烷基偶氮苯硫醇-银体系形成高有序近晶相的原因之一。前驱体在较高温域持续存在的层状介晶相结构为二维盘状银纳米粒子的形成提供了很好组织的二维受限环境。主要采用DSC、SAXS/WAXS和TEM详细考察了前驱体烷基偶氮苯硫醇-银复合物无溶剂热解还原生成盘状银纳米粒子的过程,第一次观测到二维银纳米盘形成过程中的中间产物银纳米粒子的融合过程,提出了从层状前驱体到二维盘状纳米材料的结构转换机理(LPLM)。另外,利用烷基偶氮苯硫醇-银复合体系烷基尾链长度的差异在更高温度下制备了一系列尺寸可控的偶氮苯类液晶修饰的银纳米粒子。  2、合成了一系列不同长度烷氧基尾链从甲氧基到十二碳烷氧基的偶氮苯硫醇-铜复合体系,进一步研究了无溶剂法制备功能无机纳米材料中无机物本身属性的影响,可控制备多种形貌的Cu2S纳米材料。结果表明,系列偶氮苯硫醇-铜复合物结晶态同样具有高有序层状结构,甲氧基尾链的仅表现出结晶相,从己氧基到十二碳烷氧基的硫醇-铜复合物具有高有序近晶相,其清亮点随着尾链的增长而增加,但液晶相温区相比对应的烷基偶氮苯硫醇-银复合体系明显变窄。另外,DSC证实烷基偶氮苯硫醇-铜复合体系热稳定性相比对应的银体系要差,在第二个相转变温度附近时即有部分开始分解,变温红外光谱分析也证实了这一点。利用烷基偶氮苯硫醇-铜复合体系作前驱体无溶剂法热还原一步实现了多种形貌Cu2S纳米材料的合成和组装:真空条件下,200-220℃,1h制备了自组装超细Cu2S纳米带,240℃,0.5 h制备了Cu2S纳米片组装体;氩气氛条件下,200℃,1h制备了自组装超细Cu2S纳米带,220℃,1h合成了Cu2S纳米盘组装体;空气氛条件下200℃,1h制备了Cu2S纳米片和纳米盘混合物;配体过量情况下,200℃,1h制备了单层或多层Cu2S超晶格组装体。表明前驱体的组成、结构和无机物本身属性对纳米材料的形貌和组装都起重要作用。对于引入液晶基元的烷基偶氮苯硫醇-铜复合体系,在无溶剂热解还原过程中,高温下前驱体提供了持续的层状介晶相结构,进一步通过利用不同的气氛条件或较低的温度来控制前驱体热还原速度,再加上Cu2S晶粒偶极-偶极相互作用,可得到自组装超细Cu2S纳米带、纳米片和纳米盘组装体和单层或多层Cu2S纳米晶超晶格组装体。利用这类由液晶基元修饰的烷基偶氮苯硫醇金属复合物前驱体较高温域持续存在的有序介晶相结构特点和无机物种本身的属性,有望成为一种内在结构控制的制备新途径,通过无溶剂法一步实现其它多种金属或金属硫化物纳米材料的可控合成和组装。  3、合成了由不同长度的四碳或十碳烷基间隔基偶氮苯硫醇液晶配体修饰的金纳米粒子和由偶氮苯硫醇液晶配体和烷基硫醇共配体正己硫醇(或正十二硫醇)共同修饰的金纳米粒子复合杂化体系。采用DSC和原位变温SAXS/WAXS研究了金纳米粒子杂化体系的热性质和自组织超结构。结果表明,完全由液晶硫醇修饰的金纳米粒子具有层状结构,而由液晶配体和烷基硫醇共配体修饰的复合物杂化体系呈六方柱状相结构。同时,研究表明,相比由两种配体修饰的复合体系显著增强的热稳定性(即加热至熔融温度再降温时体系仍部分可逆),完全由液晶硫醇修饰的金纳米粒子体系加热至熔融温度附近时发生热解还原而完全不可逆,这可能和金纳米粒子表面修饰的偶氮苯基团的组织排布和拥挤程度有关。通过UV-vis光谱研究了两类金纳米粒子固态薄膜的光异构化响应行为。结果表明,共配体烷基硫醇的引入提高了偶氮苯发色团的顺-反异构化速度,与完全由偶氮苯液晶配体修饰的金纳米粒子相比偶氮苯液晶配体和共配体修饰的金纳米粒子响应速度明显加快。另外,偶氮苯液晶配体修饰以及与烷基硫醇配体共同修饰的金纳米粒子在紫外光照射下吸收峰值呈现最多达9nm的蓝移现象,且在可见光照射下基本回复至初始态,这可能是由偶氮苯发色团顺-反异构转化和偶氮苯与金纳米粒子之间的共振能量转移引起,因此,通过合理的设计与优化,这类有序超结构的光异构化响应材料可望应用于光控器件制备或传感材料。
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