基本信息
- 项目名称：
- 基于水溶性苝酰亚胺衍生物—维纳米结构传感性能的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们制备一类水溶性的苝酰亚胺衍生物，系统的研究其在水相和甲醇中组装行为。通过改变溶剂的种类，实现对其结构形态从纳米管到纳米棒的调控，并对其组装机理进行详细的研究。并对获得单根纳米管和纳米棒传感性质进行研究，阐述了形态结构与传感性质的关系，使其在应用于传感器核心材料时具有更大的选择性，更强的稳定性和更高的灵敏性。
- 详细介绍：
- 作为一类独特的n型有机半导体，一些苝酰亚胺衍生物通过分子间的π-π相互作用及其它非共价键作用力，自组装成为纳米带[4]，纳米线[5]和纳米管[6]已被广泛报道。然而，这些分子组装均是在有机溶剂进行的，分子在水相中的自组装行为却未见报道。本论文中，我们制备一类水溶性的苝酰亚胺衍生物N, N’-双（2-（季铵基乙撑））- 3, 4 : 9, 10-苝二酰亚胺碘盐（PTCDI-I），系统研究其在水相和甲醇中组装行为。通过改变溶剂的种类，实现对其结构形态从纳米管到纳米棒的调控，并对其组装机理进行详细的研究。并对获得单根纳米管和纳米棒传感性质进行研究，阐述了形态结构与传感性质的关系，使其在应用于传感器核心材料时具有更大的选择性，更强的稳定性和更高的灵敏性。 随着人们生活水平的提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害，对大气污染、工业废气的监控以及对食品和人居环境质量的检测都提出了更高的要求，作为感官或信号输入部分之一的气体传感器已经对气体的探测必不可少。气体传感器能够实时对各种气体进行检测和分析，具有灵敏度高，响应时间短等优点；因此它在医药、化工、环保、交通、质检、军事、食品、防伪、家居等众多领域得到了广泛的应用。但目前市场上的传感器存在或多或少选择性相对较小，灵敏度相对较低，稳定性相对较差等缺点。气体传感器各项性能指标的进一步提高、新的气敏材料和新型气体传感器的开发正日益受到重视，世界各国纷纷投巨资进行这一领域的研究。 我们对水合肼及苯肼对PTCDI-I单根纳米管和纳米棒电阻影响的机理进行研究。当水合肼和苯肼注入PTCDI-I的水溶液后，在740 nm处有一明显的吸收峰出现，表明了PTCDI-I分子间形成了较强的π电子离域。这一较强的π电子离域导致了PTCDI-I纳米管和纳米棒的电阻迅速减小。但随着三乙胺溶液注入，PTCDI-I水溶液的紫外吸收光谱强度随有减弱却没有任何新的吸收峰，表明三乙胺对PTCDI-I分子的电子迁移影响较小。对于PTCDI-I纳米管和纳米棒在水合肼和苯肼气氛下电阻变化值不同且平衡时间有所差异，其原因可归结为两者与气体的接触面积不同。相比纳米棒掺杂而言，水合肼气体经过与纳米管外壁的迅速掺杂和内壁的缓慢扩散过程。当其与纳米管外壁掺杂时，导致其电阻迅速降低，而其在纳米管内壁缓慢扩散时，延缓电阻达到平衡。而纳米棒仅与水合肼气体发生外壁地迅速掺杂过程，因此，导致其电阻迅速下降且很快达到平衡。但由于其与水合肼的掺杂面积相对较小，最终导致其电阻变化较小。 该纳米结构对还原性胺类气体如水合肼，苯肼有较强的敏感性。随着还原性气体的注入，其电阻显著下降。光谱研究表明，还原性气体使PTCDI-I分子间发生较强π电子离域，导致该纳米结构电阻显著下降。PTCDI-I纳米结构传感性质，使得其在纳米电子器件和气体传感器等方面有着潜在的应用。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过对水溶性苝酰亚胺衍生物一维纳米结构传感性能的研究，探究其在传感性能上比现用的传感器材料更领先，更实用，更具市场优势的性能，使其在应用于传感器核心材料时具有更大的选择性，更强的稳定性和更高的灵敏性。
科学性、先进性及独特之处
- 我们制备一类水溶性的苝酰亚胺衍生物，系统的研究其在水相和甲醇中组装行为。通过改变溶剂的种类，实现对其结构形态从纳米管到纳米棒的调控，并对其组装机理进行详细的研究。并对获得单根纳米管和纳米棒传感性质进行研究，阐述了形态结构与传感性质的关系，使其在应用于传感器核心材料时具有更大的选择性，更强的稳定性和更高的灵敏性。
应用价值和现实意义
- 气体传感器能够实时对各种气体进行检测和分析，具有灵敏度高，响应时间短等优点；因此它在医药、化工、环保、交通、质检、军事、食品、防伪、家居等众多领域得到了广泛的应用。但目前市场上的传感器存在或多或少选择性相对较小，灵敏度相对较低，稳定性相对较差等缺点。气体传感器各项性能指标的进一步提高、新的气敏材料和新型气体传感器的开发正日益受到重视，世界各国纷纷投巨资进行这一领域的研究。
学术论文摘要
- 水合肼及苯肼对PTCDI-I单根纳米管和纳米棒电阻影响的机理进行研究。当水合肼和苯肼注入该的水溶液后，在740 nm处有一明显的吸收峰出现，表明了该分子间形成了较强的π电子离域。这一较强的π电子离域导致了该纳米管和纳米棒的电阻迅速减小。但随着三乙胺溶液注入，该水溶液的紫外吸收光谱强度随有减弱却没有任何新的吸收峰，表明三乙胺对该分子的电子迁移影响较小。对于该纳米管和纳米棒在水合肼和苯肼气氛下电阻变化值不同且平衡时间有所差异，其原因可归结为两者与气体的接触面积不同。相比纳米棒掺杂而言，水合肼气体经过与纳米管外壁的迅速掺杂和内壁的缓慢扩散过程。当其与纳米管外壁掺杂时，导致其电阻迅速降低，而其在纳米管内壁缓慢扩散时，延缓电阻达到平衡。而纳米棒仅与水合肼气体发生外壁地迅速掺杂过程，因此，导致其电阻迅速下降且很快达到平衡。但由于其与水合肼的掺杂面积相对较小，最终导致其电阻变化较小。 光谱研究表明，还原性气体使该分子间发生较强π电子离域，导致该纳米结构电阻显著下降。该纳米结构传感性质，使得其在纳米电子器件和气体传感器等方面有着潜在的应用
获奖情况
- 暂无
鉴定结果
- 暂无
参考文献
- [1] Engelkamp, H.; Middlebeek, S.; Nolte, R. J. M. Self-Assembly of Disk-Shaped Molecules to Coiled-Coil Aggregates with Tunable Helicity. Science 1999, 284, 785. [2] Wu, J.; Watson, M. D.; Zhang, L.; Wang, Z.; Müllen, K. Hexakis(4-iodophenyl)-peri hexabenzocoronene- A Versatile Building Block for Highly Ordered Discotic Liquid crystalline Materials. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 177-186. [3] (a) Würthner, F. Perylene Bisimide Dyes as Versatile Building Blocks for Supra Mole Cular Architectures. Chem. Commun. 2004, 1564-1579. (b) Zang, L.; Che, Y.;Moore, J. S. One-Dimensional Self-Assembly of Planarπ-Conjugated Molecules:Adap table Building Blocks for Organic Nanodevices. Acc. Chem. Res. 2008, 41,1596-1608.
同类课题研究水平概述
- 气体传感器的研究经历了无机半导体传感器，光学式气体传感器，石英谐振式气体传感器，表面声波气体传感器，接触燃烧式气体传感器。他们在研究之初带来了重大的意义和价值。但随着检测要求的深化，目前市售的这些气体传感器仍然存在一些选择性和稳定性较差等问题。气体传感器各项性能指标的进一步提高、新的气敏材料和新型气体传感器的开发正日益受到重视，世界各国纷纷投巨资进行这一领域的研究。 为了解决上述问题，众多研究者把目光转移到了目前占突出优势的是有机材料气体传感器。有机半导体材料由于其易操作性、工艺简单、常温选择性好、价格低廉、易与微结构传感器相结合, 并且可以根据功能需要进行分子设计和合成等诸多优点越来越受到国内外研究人员的重视。 并且为了克服薄膜类的选择性小，灵敏度低，稳定较差等缺点，研究人员又把目光聚集到选择范围广，灵敏度高，稳定较好的纳米材料。笔者试想研究把有机半导体材料和纳米技术充分的融合在一起，研究出新型的有机半导体纳米气敏材料。 苝酰亚胺衍生物（PTCDI）作为一类n型有机半导体材料，它们所具有的结构使得吸附气体分子与有机半导体之间产生电子授受关系导致其电流（电阻）发生显著变化，因而可以用来作为制备检测气体的气敏传感器的的核心材料。如University of Utah的 Ling Zang和中国科学院化学研究所赵进才研究员等人研究发现单侧被电子给体取代的苝酰亚胺衍生物纳米带可吸附硝基甲烷，硝基苯等爆炸性气体导致其光电流发生变化，可将其用于爆炸性气体的检测[7]。中国南开大学刘育教授研究小组发现两侧含有环糊精的苝酰亚胺衍生物对NH3具有较强的敏感性该气体可以导致其纳米结构的荧光淬灭。而这上述的几类众多种气体在医药、化工、环保、交通、质检、军事、食品、防伪、家居等众多领域得到了广泛的应用。因此进一步提高苝酰亚胺衍生物的器皿检测性能可在医药、化工、环保、交通、质检、军事、食品、防伪、家居等众多领域获得重大意义。由此可见，通过简易方法制备大量的功能性纳米材料，对其实际应用具有重要意义。
