界面组装分子聚集体材料及其电化学研究

论文摘要

通过分子间非共价相互作用形成的有序分子聚集体越来越成为分子层次的化学研究的热点。有机或无机小分子、大分子、大环分子均可以作为构筑单元构筑有序分子聚集体,由此制备新型材料并实现其在催化、磁学、光学、分子器件、电学、气体存储等功能。常见的构筑方法包括气-液界面的Langmuir-Blodgett（L-B）技术、自组装技术、层层组装技术等。本文的工作分两部分。第一部分工作中,以非共价键为作用力形成的分子聚集体材料越来越成为化学研究的一个热点,其中超分子化学最为引人注意。我们选取了六种不同的含吡啶基的化合物作为多齿配体,利用界面组装的方法,基于金属离子和多齿配体之间的配位作用,成功地在固体基片表面组装得到了六种不同的配位聚合物多层膜。我们研究了薄膜的光谱性质及电化学性质。结果表明配体的大小影响薄膜的性质,电活性的Fe（CN）63-/4-离子能够穿透纳孔结构尺寸匹配的配位聚合物多层膜。在所研究的六种配体中,BPy和PVP所形成的聚合物多层膜比较致密,孔径较小,电活性物质很难穿过,而TPyTa、Fe（pyterpy）2、BNAPy、TPyP形成的聚合物多层膜孔径较大,电活性物质能够穿过,循环伏安曲线显示出可逆或准可逆的氧化还原峰。由于这种基于配位键的自组装膜具有良好的化学和热稳定性,可用于在固体表面构筑三维主客体体系,也可以用于研究薄膜中电子或电荷转移的过程。第二部分工作中,氢酶作为一种很好的生物催化剂,可催化氢气得氧化和质子的还原,对于更好的实现清洁能源生产和绿色环保具有重要意义。氢酶的活性中心一般深埋在分子中心,进行电子转移和进行催化反应很困难,而紫精是非常好的电子转移介质,我们利用带正电荷的阳离子电解质和负电荷的氢酶之间的静电作用成功地组装了氢酶-阳离子电解质复合物薄膜。我们选取了含有紫精基团的和不含紫精基团的电解质作为亚相,在空气-水界面得到含氢酶分子的单分子膜,由于与亚相中聚电解质形成氢酶-聚紫精复合物,所形成的薄膜变得更疏水,并使其分子占据面积和表面压更大。氢酶与阳离子聚合物形成LB膜后,氢酶分子的活性中心和电极表面实现电子交换。我们还进一步研究了转移到固体基片上的氢酶-紫精衍生物复合膜,结果表明所得到的复合物薄膜具有良好的电化学和催化活性,这就有可能应用于在氢能的转化,进而在生物产氢和生物燃料电池方面具有潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 分子聚集体材料
• 1.1.1 分子聚集体概述
• 1.1.2 分子间作用力
• 1.2 界面组装方法
• 1.2.1 LB膜技术
• 1.2.2 自组装膜技术
• 1.2.3 层层组装技术
• 1.2.4 成膜技术的比较
• 1.3 薄膜的表征方法
• 1.4 本章小结
• 参考文献
• 第2章 含吡啶基化合物分子聚集体材料的界面组装
• 2.1 引言
• 2.1.1 超分子体系
• 2.1.1.1 超分子化学
• 2.1.1.2 超分子化学研究进展
• 2.1.1.3 超分子器件
• 2.1.2 配位聚合物
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验仪器
• 2.2.3 吡啶化基片的处理
• 2.2.4 Pd（Ⅱ）-配位聚合物的界面多层组装
• 2.2.5 紫外可见吸收光谱
• 2.2.6 X射线光电子能谱（XPS）
• 2.2.7 电化学性质
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 紫外可见吸收光谱
• 2.3.2 X射线光电子能谱
• 2.3.3 循环伏安曲线
• 2.3.4 阶跃曲线
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第3章 氢酶-紫精衍生物复合物LB膜
• 3.1 引言
• 3.1.1 氢酶和紫精的结构特点
• 3.1.2 氢酶和紫精的电化学性质
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 实验仪器
• 3.2.3 基片的表面修饰
• 3.2.4 氢酶紫精衍生物复合物的界面组装
• 3.2.5 电化学测量
• 3.2.6 LB膜中氢酶活性测定
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 氢酶在阳离子聚电解质亚粗表面的压力-面积曲线
• 3.3.2 氢酶-紫精衍生物复合物LB膜的紫外可见吸收光谱
• 3.3.3 氢酶-紫精衍生物复合物LB膜的SEM图
• 3.3.4 氢酶-聚紫精复合LB膜的电化学性质
• 3.3.5 LB膜中氢酶活性的测定
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 第4章 论文总结
• 论文专利及参加会议
• 致谢