功能化石墨烯纳米带的合成及潜在应用研究

发布时间：2025-05-07 03:02

　　石墨烯纳米带（Graphene Nanoribbons,GNRs）,即宽度尺寸在纳米级别且具有高长径比的条带状石墨烯纳米片（长度与宽度的比值>10）。尺寸效应赋予了GNRs特定的带隙,并且其带隙可以通过调节其化学组成、宽度和边缘结构来调控。同时,GNRs作为碳材料家族的新成员,也兼具了碳材料的共性,比如具有高比表面积、高机械强度等优点。这些特性使得GNRs在光学、电子学、磁学、量子物理学及生命科学等领域具有巨大的潜在应用价值。然而,GNRs具有较大的π平面共轭结构,在溶液中发生严重的聚集,导致其基础性质研究和器件制备工艺都发展十分缓慢。因此,采用具有不同结构及功能的基团对结构精确的GNRs进行功能化修饰赋予其良好的液相分散性对探索其基本性质、研究其超分子自组装行为及拓展其潜在应用具有重大意义。针对上述问题,本论文设计并合成了一系列树枝状聚合物、线性聚合物、刚性大基团修饰的GNRs,并对它们的溶液分散性、光学性质及潜在应用进行了初步探索。具体研究内容如下:1)采用不同代数的末端含有羟基的苯醚型树枝状聚合物对边缘含有羧基的宽度为1.7 nm,长度为30 nm的“armchair”型GN...

【文章页数】：209 页

【学位级别】：博士

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摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 石墨烯纳米带(GNRs)概述
    1.2 石墨烯纳米带的结构与性质
    1.3 石墨烯纳米带的制备方法
        1.3.1 自上而下法
        1.3.2 自下而上法
    1.4 GNRs的后修饰
    1.5 石墨烯纳米带的应用进展
        1.5.1 GNRs在电子器件领域的应用
        1.5.2 GNRs在磁学领域及量子物理领域的应用
        1.5.3 GNRs在传感领域的应用
        1.5.4 GNRs在催化领域的应用
        1.5.5 GNRs在其他领域的应用
    1.6 本论文的选题依据及研究内容
        1.6.1 选题依据
        1.6.2 研究内容
    1.7 参考文献
第二章 树枝状聚合物功能化的石墨烯纳米带的合成及其自组装行为
    2.1 引言
    2.2 GNR-Dendron的合成路线
    2.3 实验部分
        2.3.1 试剂药品
        2.3.2 仪器及表征
        2.3.3 羧基功能化的GNRs及羟基功能化的苯醚型树枝状聚合物的合成及表征
        2.3.4 GNR-Dendron合成
    2.4 结果与讨论
        2.4.1 GNR-Dendron的合成
        2.4.2 UV-Vis光谱分析
        2.4.3 GNR-Dendron的分散性
        2.4.4 GNR-Dendron自组装行为
        2.4.5 耗散粒子动力学模拟GNR-Dendron的自组装行为
        2.4.6 相关计算
        2.4.7 GNR-Dendron组装体的光生载流子传导行为
    2.5 本章小结
    2.6 参考文献
第三章 水相分散石墨烯纳米带的合成及其在光热治疗领域的潜在应用
    3.1 引言
    3.2 实验路线
    3.3 实验部分
        3.3.1 试剂药品
        3.3.2 仪器及表征
        3.3.3 羧基功能化的GNRs及羟基聚醚树枝状聚合物(DPE-OH)的合成及表征
        3.3.4 可水相分散的GNRs(GNR-DPE、GNR-单糖、GNR-PEO)的合成
    3.4 结果与讨论
        3.4.1 GNR-DPE的合成
        3.4.2 GNR-单糖(GNR-gal和 GNR-man)的合成
        3.4.3 GNR-PEO的合成
        3.4.4 GNR-DPE、GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO在水相的分散性
        3.4.5 GNR-DPE、GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO的紫外-可见光谱分析
        3.4.6 GNR-DPE、GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO的光热转换性能测试
        3.4.7 GNR-DPE、GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO的细胞毒性测试
        3.4.8 GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO的光热细胞杀伤能力测试
        3.4.9 GNR-gal、GNR-man和 GNR-PEO的活体光热成像性能测试
    3.5 本章小结
    3.6 参考文献
第四章 单根分散的石墨烯纳米带的液相合成及其光学性能初探
    4.1 前言
    4.2 实验路线
    4.3 实验部分
        4.3.1 试剂药品
        4.3.2 仪器及表征
        4.3.3 聚合单体(C78-AHM)的合成及表征
        4.3.4 聚苯撑结构(PP-AHM)的合成
        4.3.5 刚性大基团功能化的石墨烯纳米带的合成
    4.4 结果与讨论
        4.4.1 GNR-AHM-1、GNR-AHM-2 的表征
        4.4.2 GNR-AHM的分散性
        4.4.3 GNR-AHM的紫外及荧光光谱分析
        4.4.4 GNR-AHM-1和GNR-AHM-2 的瞬态光谱性质
    4.5 边缘含活性基团的单根分散石墨烯纳米带的合成和溶液性质
        4.5.1 聚合单体(C78-AHM-ME)和(C78-AHM-DE)的合成及表征
        4.5.2 GNR-AHM-ME和 GNR-AHM-DE的合成
        4.5.3 GNR-AHM-DE的溶液性质
    4.6 本章小结
    4.7 参考文献
第五章 全文总结与展望
附录:星形聚合物可控自组装
    1.前言
    2.参考文献
附录Ⅰ 双响应杂臂ABC星形聚合物的多维自组装研究
    Ⅰ.1 引言
    Ⅰ.2 分子设计
    Ⅰ.3 实验部分
        Ⅰ.3.1 试剂药品
        Ⅰ.3.2 小分子引发剂SMI的合成
        Ⅰ.3.3 大分子链转移剂PCL-CTA的合成
        Ⅰ.3.4 PCL-b-PNIPAM(Macro-Br)的合成
        Ⅰ.3.5 μ-CID的合成
        Ⅰ.3.6 μ-CID在 THF/甲醇混合溶剂中的自组装
        Ⅰ.3.7 纳米片的刺激响应形态转变
        Ⅰ.3.8 表征
    Ⅰ.4 结果与讨论
        Ⅰ.4.1 小分子引发剂(SMI)的合成
        Ⅰ.4.2 PCL-CTA、macro-Br和 μ-CID的合成与表征
        Ⅰ.4.3 μ-CID在选择性溶剂中的2D自组装
        Ⅰ.4.4 纳米片的刺激响应形态转变
    Ⅰ.5 本章小结
    Ⅰ.6 参考文献
附录Ⅱ 两亲性PCL-b-PEO修饰的金纳米粒子在水相中的结晶驱动二维自组装
    Ⅱ.1 引言
    Ⅱ.2 实验方案
    Ⅱ.3 实验部分
        Ⅱ.3.1 试剂药品
        Ⅱ.3.2 PEO₄₅-b-PCL_n的合成
        Ⅱ.3.3 PEO₄₅-b-PCL_n-TE的合成
        Ⅱ.3.4 AuNPs的制备及表面修饰
        Ⅱ.3.5 AuNP-n的溶液自组装
        Ⅱ.3.6 仪器及表征
    Ⅱ.4 结果与讨论
        Ⅱ.4.1 PEO₄₅-b-PCL_n的合成
        Ⅱ.4.2 TE-PCL_n-b-PEO₄₅ 的合成
        Ⅱ.4.3 AuNPs的合成和表征
        Ⅱ.4.4 AuNPs的表面修饰及表征
        Ⅱ.4.5 AuNP-n的溶液自组装行为
    Ⅱ.5 本章小结
    Ⅱ.6 参考文献
附录Ⅲ 本论文中合成产物的核磁谱图和质谱谱图
攻读博士学位期间学术论文发表或录用情况
致谢



本文编号：4043505