极性溶剂诱导多壁碳纳米管SFG活性的研究

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本文通过使用二阶非线性光学技术-和频振动光谱(Sum frequency generation vibrational spectroscopy,SFG-VS)为主,以透射电子显微镜(Transmission electron microscopy,TEM)和拉曼光谱(Raman spectroscopy)等表征手段为辅,利用全内反射(Total internal reflection,TIR)实验设置,在分子尺度上系统研究了多壁碳纳米管(Multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)被不同极性溶剂润湿情况下的表面声子振动的光谱活性。通过不同极性溶剂润湿不同直径的MWCNTs实验和验证实验,如十二烷基硫酸钠(SDS)和水的混合液润湿MWCNTs、羧基和末端开口等缺陷增多的MWCNTs被水润湿等的实验结果表明,SFG-VS可探测到极性溶剂改变MWCNTs的界面光学性质,诱导出表面光学声子振动信号,并且极性溶剂极性强弱和MWCNTs表面缺陷数量影响声子振动峰位置。具体为,首先当MWCNTs被极性溶剂(例如水和二甲基甲酰胺(DMF))润湿时,可检测到界面光学声子的振动模式。而当溶剂为非极性溶剂(即十氢萘和空气)时,这些振动将无法被检测到,说明极性溶剂可以诱导MWCNTs产生SFG活性。其次,当润湿试剂换为水和SDS混合液时,同样无法检测到界面光学声子振动,说明振动的出现需要极性试剂与MWCNTs样品进行分子级别的接触。最后,当把缺陷较少的原始碳纳米管做缺陷增多处理并被水润湿后SFG振动峰发生了蓝移,说明当润湿试剂是水并且碳纳米管表面缺陷数量多时,振动峰频率会发生蓝移,证明界面光声子振动频率对MWCNTs表面缺陷数量有明显依赖性。结合理论分析和实验验证,本文提出了关于MWCNTs表面声子振动活性的合理猜想:极性溶剂会在MWCNTs和棱镜形成的界面对样品进行不对称性润湿,同时CNTs本身具有有效的拉曼振动模式、极性溶剂中的氢键会与MWCNTs的单元碳环晶格进行作用,诱导出界面声子振动,使得MWCNTs出现了SFG活性。极性溶剂诱导MWCNTs的SFG活性的这种现象在不久的将来很有可能在光学检测和环境传感中找到应用。
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