二维分子材料的设计、合成与性质研究

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本论文围绕着二维分子材料这一主题,成功地设计、合成了一系列卟啉分子基的二维共价有机框架共轭聚合物,研究了其电化学和电学性质;研究了单原子层石墨炔的制备,在液相法中观察到了小区域短程有序结构。主要包括以下内容:  (1)发展了新的液相方法,在金单晶(111)表面制备了少数层石墨炔,观察到了有序结构,并通过扫描隧道显微镜进行了研究。结果表明,小区域短程有序,石墨炔的结构周期为1.1nm。  (2)通过原位化学氧化法在铜片表面成功合成了新型的基于5,10,15,20-四(4-噻吩基苯基)卟啉(TThP)的高导电性二维共价有机框架共轭聚合物TThPP。研究结果表明它是一类性能优良的储锂材料,具有高的比容量,优良的倍率性能以及长的循环寿命,其可逆容量可达到666 mAh/g。TThPP/AC混合电容器在700.36Wkg-1的功率密度下,仍能达到48.44 Wh kg-1的能量密度。  (3)设计、合成了一系列基于5,10,15,20-四(4-乙炔基苯基)卟啉的二维共价有机框架共轭聚合物,该类聚合物兼具二维层状结构和多孔特征,并具有高导电性,研究发现该类聚合物是一类优良的锂离子电池负极材料,具有高的比容量,优良的倍率性能以及长的循环寿命,尤其是COF-4在100mA/g电流密度下可获得2860mAh/g的可逆容量,优于绝大多数无机和各类有机负极材料,实现了通过结构的设计对其电化学性能的调控。  (4)提出了固相反应制备聚5,10,15,20-四(4-乙炔基苯基)卟啉的二维共价有机框架共轭聚合物的新方法,首先生长5,10,15,20-四(4-乙炔基苯基)卟啉单晶,通过固相反应实现了单体之间的炔炔偶联自聚,获得了高晶化的聚合物,其电导率高达51.09S/m,比聚合物薄膜的电导率提高了近7个数量级。  (5)发展了原位聚合的新方法在氧化铜纳米棒阵列表面进一步生长5,10,15,20-四(4-乙炔基苯基)卟啉聚合物,成功制备了氧化铜/聚5,10,15,20-四(4-乙炔基苯基)卟啉的核-壳型杂化纳米线阵列,研究结果表明,该杂化纳米线阵列显示出了优异的场发射性质,是一类新的场发射冷阴极材料。
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