富勒烯-石墨烯功能材料的合成、组装与光电转换基础研究

Due to their great performances, carbon nanomaterials have drawn many attentions in materials science. In this project, a series of fullerene derivatives will be designed and synthesized so as to improve the solubility, phase, stability, and interfacial assembly behaviors. Moreover, taking advantage of the unique properties of graphene, such as high electron mobility and 2D structure, the fullerene derivative-graphene assembly will be constructed based on non-covalent interaction. The correlations between the interfacial structure/interaction and the photoelectronic conversion performance, and the involved mechanism as well, will be investigated. It is highly anticipated that this project will greatly benefit the applications of carbon nanomaterials for new optoelectronic devices, and further expanding their applications in fields of analytical chemistry and sustainable energy, both in experiments and theories.

碳纳米材料因其独特的性能和广阔的应用前景而备受关注。本项目通过设计和调控富勒烯分子表面有机官能团种类和分布，改善富勒烯材料的溶解性、相态、稳定性和界面组装行为；利用石墨烯材料优异的电子传输性能和独特的两维分子结构，通过非共价相互作用，构建富勒烯衍生物－石墨烯组装体，研究功能化富勒烯与石墨烯的界面组装调控及其对组装体界面结构和光电转换性能的影响，揭示其界面相互作用机制，探索提高富勒烯衍生物-石墨烯组装体光电转换效率的新方法和新途径，为发展基于碳纳米材料的新型光电转换器件，拓展新型碳纳米材料在分析化学和能源领域的应用提供实验基础和理论指导。

碳纳米材料因其独特的性能和广阔的应用前景而备受关注，富勒烯由于具有对称的结构和特殊的pai-pai体系而具有较小的重组能和较强的电子接受能力，因而作为电子受体而被广泛用于光电转换研究中，然而，由于原始富勒烯分子的溶解性差，其应用也因此受到极大的限制。本项目通过分子设计、界面组装、显微分析和光谱研究等多种技术和手段，主要开展以下四个方面的研究工作：富勒烯衍生物的设计合成和基本物理化学性质研究；富勒烯衍生物-石墨烯的界面组装；富勒烯衍生物-石墨烯的界面结构及提高光电转换效率机制；传感应用。课题组经过三年的努力，设计合成了长烷基链功能化的富勒烯衍生物；提出通过富勒烯衍生物与石墨的直接相互作用来获得石墨烯，以制备富勒烯衍生物-石墨烯复合物，避免了共价修饰的方法对石墨烯材料电子结构的破坏，进而改善富勒烯衍生物-石墨烯复合材料的光电性能；利用稳态荧光光谱、光解时间分辨光导电性测量等光谱技术研究了富勒烯衍生物-石墨烯组装体的光化学性质；通过制备富勒烯衍生物-石墨烯光电极，研究了富勒烯衍生物-石墨烯材料的光电性能，发现富勒烯衍生物-石墨烯复合物的形成不仅增加了富勒烯衍生物的光电流（增加约270倍）和光电压（增加近千倍），而且石墨烯的加入还对富勒烯衍生物的电子能带结构产生了影响，表明所制得的富勒烯衍生物-石墨烯复合材料是制备高效光电器件的优良材料；利用碳纳米复合材料优异物理化学特性，并结合纳米抗体（通过对骆驼免疫而得到的具有特殊生物化学特性的抗体）构建了免疫传感器件，将其用于转基因蛋白Cry1C、Cryab的电化学免疫传感检测。