稠环芳烃的电化学合成、自组装及其电学性质的研究

发布时间：2020-06-10 02:12

【摘要】：稠环芳烃(PAHs)是一种平面型π共轭体系,其分子中含有两个或多个苯环,苯环间通过共用两个相邻碳原子稠合而成,因而它又被看作是一种结构规整的石墨烯片段。PAHs中离域π电子使其具有优异的电荷迁移能力;而强分子间作用力增加了PAHs相邻分子间π轨道的重叠并进一步提升了载流子迁移率。因此,PAHs这种兼具半导体性质和结构明确可控特征的石墨烯片段在半导体光电器件领域具有很大的应用潜力。然而,平面结构和强分子间相互力也使得PAHs分子的溶解性很差,引入增溶基团可以增加PAHs分子的溶解性,却同时破坏了分子间的紧密堆积,不利于载流子的传输。因此,合成无增溶基团修饰的PAHs并同时得到紧密有序的堆积结构是一项挑战。本文中,我们利用电化学方法实现了无增溶基团取代的PAHs分子的紧密有序堆积。电化学反应过程中,PAHs前体分子在电解液中发生了氧化脱氢偶联反应并生成了平面型PAHs分子。由于在电解液中溶解性很低,PAHs分子在工作电极上电沉积出来并原位自组装形成不同表面形貌的紧密有序堆积薄膜。我们详细研究了这种电化学氧化脱氢偶联反应的反应机理和动力学行为,并进一步将电沉积薄膜作为超级电容电极材料进行了探索。第二章中,我们通过三种化学合成路径合成了一系列PAHs前体分子。其中,环三聚反应主要用于合成中心对称的PAHs前体分子;狄尔斯-阿尔德反应主要用于合成轴对称体系;而D-A型PAHs前体分子主要由Suzuki反应等有机偶联反应得到。三种合成方法中,狄尔斯-阿尔德反应不需要羰基钴和钯等催化剂的加入,反应体系简单易行,是合成PAHs前体分子的最优途径。第三章中,我们以邻三联苯作为模型化合物来探索PAHs前体分子的电化学氧化脱氢偶联反应,并进一步研究了此体系的电化学反应机理及其动力学行为。经研究表明,邻三联苯的电化学氧化脱氢偶联反应历程是一个受线性扩散控制的不可逆的随后化学反应过程,电极反应控制步骤的电子转移数为2,扩散系数D_0=4.1×10~(-6) cm~2 s~(-1),传递系数α=0.277~0.468,电极反应速率常数~10~(-3) cm s~(-1),这表明邻三联苯的电化学反应是一个较快速的电荷转移过程,电极反应历程受扩散控制。电化学阻抗谱研究表明邻三联苯的电极反应过程存在两个状态变量(双电层电荷转移过程和电化学反应电荷转移过程)。由阻抗谱可得反应体系的内阻((?)_s=6.6Ω)、双电层电容((?)_1=1.5×10~(-7) F)、双电层电荷转移电阻((?)_(ct1)=178Ω)和双电层时间常数((?)_1=2.4×10~(-5) s)等相关参数,而电极反应的电荷转移电阻和时间常数随着施加电压的增大分别增大与减小(1.48 V时R_(ct2)=526Ω,τ_2=6.3×10~(-3) s)。电化学氧化脱氢偶联反应生成了一种结构明确的平面型共轭PAHs分子,并且薄膜的电沉积过程是一种瞬间成核、岛状生长模式。PXRD表明邻三联苯在发生电化学氧化脱氢偶联时,生成的PAHs分子原位自组装形成了紧密有序堆积结构。电沉积薄膜的恒电流充放电测试表明当充电电流密度为5 A g~(-1)时薄膜的质量比电容达到116 F g~(-1)。第四章中,我们利用电化学氧化脱氢偶联方法进一步扩展PAHs体系。电化学反应中PAHs前体分子(Monomer C78、C96)氧化脱氢偶联分别生成平面型的共轭PAHs分子。两者电沉积薄膜的生长过程是精确可控的,且不同电沉积方法可以得到不同形貌,不同生长模式的薄膜。例如Monomer C78电沉积薄膜在循环伏安法下最开始形成纤维短簇结构,随着薄膜的生长最终形成片层状结构;而在恒电位法下电沉积薄膜则是形成相互交联的纤维结构,随着薄膜的生长交联程度不断增加。Monomer C96电沉积薄膜在循环伏安法下形成了颗粒状结构,且并无交联;而在恒电位法下薄膜则形成了片层状结构。PXRD表明邻三联苯在发生电化学氧化脱氢偶联时,生成的PAHs分子原位自组装形成了紧密有序堆积结构。超级电容性能测试表明循环伏安法制备的Monomer C78电沉积薄膜的电容性能比恒电位法的要高,其质量比电容可达到150 F g~(-1),最大功率密度为3211 W kg~(-1),最大能量密度为21 Wh kg~(-1)。而且两种方法制备的薄膜的比电容保持率在50 A g~(-1)时仍分别高达95%和98%,表现出了非常高的电容稳定性。恒电位法制备的PAH C96电沉积薄膜的电容性能比循环伏安法的稍高,最大比电容为112.5 F g~(-1),最大功率密度为2408 W kg~(-1),最大能量密度为16 Wh kg~(-1),但循环伏安法电沉积薄膜的比电容保持率要更高(94%)。
【图文】：

能级结构,电子跃迁,简并轨道

图 1-5 a）苯，b）PAHs 的能级结构和电子跃迁Fig. 1-5 The energy level structure and electron transition of a) Benzene, b) PAHsPAHs 分子 HOMO 中的 πn-1、πn和 LUMO 中的 π*n+1、π*n+2不再是简并轨道，，在轨道中存在四种可能的跃迁方式，如图 1-5b。由于构型作用使得 PAHs 简并构型态

结构式,禁阻跃迁,材料科学,三亚

图 1-7 不同大小的 PAHs 的结构式Fig.1-7 The structural formula of PAHs，三亚苯作为一种 PAHs 基本单元广泛应用在材料科学领域禁阻跃迁），它的带强度非常低（320 nm），其最强吸收峰出
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O625.15

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