单一手性单壁碳纳米管分离及其电致变色效应研究

Due to the different kinds of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) with different energy level structure and the spin-orbit coupling properties, SWCNTs shows the diversity of geometry and electronic structure. But how to obtain multiple categories，high purity, macro amounts of a single-chirality SWCNTs still faces great challenge. This project will focus on the theme of the chiral SWCNTs electrochromic effect in near infrared region, selectively disperse SWCNTs via designing different kinds of organic conjugated polymers as noncovalent modification dispersants , focus on chiral SWCNTs separation effect and mechanism through changing molecular structure and space configuration of conjugated polymers, clear the corresponding relation between polymer structures and SWCNTs chirality, implement precision, high purity，macro separation of different kinds of single-chirality SWCNTs, explore the preparation method of high density, high orientation, high conductive chiral SWCNTs film, and then study electrochromic performance of chiral SWCNTs film in near infrared region, lay the foundation for the development of optional band, short response time and long cycle of single-chiral SWCNTs electrochromic devices, provide a new strategy and method for the application of SWCNTs photoelectric devices.

由于不同种类的单壁碳纳米管具有不同的能级结构和自旋-轨道耦合性质，单壁碳纳米管显示出几何结构与电子结构的多样性。但是如何获得多种类、高纯度、宏量的单一手性单壁碳纳米管仍面临巨大的挑战。本项目将紧密围绕手性单壁碳纳米管的近红外区域电致变色效应这一主题，通过设计不同种类有机共轭聚合物作为非共价修饰分散剂选择性分散单壁碳纳米管，重点研究共轭聚合物的分子结构与空间构型对单壁碳纳米管手性分离效果的影响和作用机理，明晰聚合物结构与单壁碳纳米管手性之间的对应关系，实现不同种类单一手性单壁碳纳米管的精准、高纯度与宏量分离，探索获得高密度、高取向、高导电的手性单壁碳纳米管薄膜制备方法，进而研究手性单壁碳纳米管薄膜的近红外区域电致变色特性，为波段可选择、开发响应时间短、循环寿命长的单一手性单壁碳纳米管电致变色器件奠定基础，为单壁碳纳米管的光电器件应用提供新策略及新方法。

由于碳纳米管的不同结构引起单壁碳纳米管表面电荷密度的差异以及晶界条件变化，不同结构碳纳米管具有不同能级结构和电子结构，因而也显示出不同光吸收特性。这种光学特性差异的存在是不同结构单壁碳纳米管显示不同光电效应的基础。显然，对于手性单壁碳纳米管来说，其手性结构变化必然导致电致变色性能的不同差异。因此，开展不同手性单壁碳纳米管在近红外区域电致变色效应的研究，对开发高效、灵敏的碳纳米管电致变色材料，具有重要而深远的意义。.本项目紧密围绕手性单壁碳纳米管的近红外区域电致变色效应这一主题，通过设计不同种类有机共轭聚合物作为非共价修饰分散剂选择性分散单壁碳纳米管获得单一手性碳纳米管。本项目重点研究了共轭聚合物的分子结构与空间构型对单壁碳纳米管手性分离纯度、浓度等效果的影响和作用机理，发展了两种单手性碳管的高纯度分离技术，即增强超速离心技术和多步提取技术，分别得到了单手性纯度为92.3%的(10,8)和95.6%的(12,5)碳管，手性纯度均为已报道的大直径单手性碳管中的最高数值，实现了不同种类单一手性单壁碳纳米管的精准、高纯度、宏量分离。在此基础上，深入探索了获得高密度、高取向手性单壁碳纳米管薄膜制备方法，并研究了基于不同手性单壁碳纳米管薄膜的电致变色器件的近红外区域电致变色特性，为开发波段可调控、响应时间短、循环寿命长的单一手性单壁碳纳米管电致变色器件奠定了坚实的基础。.通过4年的研究，本项目达成了原有计划目标，在国际期刊上发表6篇论文、国内核心期刊上发表3篇论文，其中SCI收录论文6篇；申请1项PCT专利，8项中国发明专利，其中已被授权美国、韩国专利各1项，国内发明专利2项。本项目的研究基础上，项目团队已获得新的国家自然基金面上项目，着重研究分离手性单壁碳纳米管在光电器件领域的应用。