新型两亲性离子液体分子调控酞菁纳米结构的有序组装及光电性能

The photoelectric devices based on phthalocyanine nanostructures have attracted increasing interests due to their potential applications in gas sensor and photoelectric conversion. Recently, most of the phthalocyanine nanostructures are prepared by vapor deposition or in the solution. It has been demonstrated that compared to vapor deposition, preparing phthalocyanine nanostructures from solution is simpler and more suitable for commercial production. However it is difficult to get high performance phthalocyanine nanostructures employing traditional solution methods. In this regard, it is an important issue to develop a new method of fabricating high performance phthalocyanine nanostructures in solution. For this purpose, in this project we plan to employ soft template method to prepare phthalocyanine nanostructures. Furthermore two types of amphiphilic ionic liquid molecules with multiple interaction sites and unsymmetrical head groups are designed to assist the self-assembly of phthalocyanine nanostructures. Controllable self-assembly phthalocyanine nanostructures with high performance will be achieved by tuning the morphology of aggregates formed by amphiphilic molecules and the intermolecular interactions between amphiphilic molecules and phthalocyanine molecules by changing solvent, temperature, pH, etc. This project will try to reveal the detailed slef-assembly progress of the phthalocyanine nanostructures, and conclude the influence of the amphiphilic molecular structure on phthalocyanine nanomaterials, to provide new scientific information for the construction of high performance phthalocyanine nanostructures and the design of amphiphilic molecular used in soft template.

基于酞菁纳米结构的光电器件在气体传感、光电转换等领域有重要的应用前景。目前，制备酞菁纳米结构的方法有气相法和液相法。与气相法相比液相法简单便捷、适合大规模生产，具有更好的商业应用前景，然而传统液相法制备的酞菁纳米结构的性能往往较差。因此提高液相法制备酞菁纳米结构的性能具有重要的现实意义。本项目拟将软模板法引入到酞菁纳米结构的制备中，以设计合成的具有多作用位点和不对称结构的新型咪唑类两亲性离子液体分子为辅助剂，使酞菁衍生物在两亲分子形成的微环境中受限组装。以调节两亲性离子液体分子形成的组装体形态及其与酞菁分子间的非共价键相互作用为导向，改变组装条件如溶剂、温度、pH等，实现酞菁聚集体的精细调控，获得具有优良光电和气体传感性能的酞菁纳米结构。阐明酞菁纳米结构的动态组装过程，揭示两亲分子及其组装体性质对酞菁纳米结构的影响和调控机理，为制备高性能酞菁纳米结构及软模板法中两亲分子的设计提供科学信息。

卟啉、酞菁等π-体系化合物因具有良好的化学、光、热稳定性以及优异光电响应性而备受关注，是构筑有机纳米器件的理想材料。通过气相沉积法得到的有机纳米材料一般具有优良的光电等性质，然而由于气相沉积需要昂贵的仪器和较高的操作温度使其应用受到了限制。因此研究者们发展了多种在溶液中制备规则纳米结构的方法，如通过蒸发、降温或者加入其它不良溶剂使酞菁、卟啉等溶液达到过饱和而从溶液中析出生长为微纳结构。在溶液中引入两亲分子能够有效的改变有机共轭分子的溶解度、调节纳米结构的生长过程，研究表明有机共轭分子间及其与两亲分之间的相互作用对纳米材料的结构和性质具有重要影响。相对于其他分子酞菁分子具有更大的共轭平面结构，分子间的π-π相互作用更强，更容易发生聚集，因此在溶液组装方法中不易得到规整结构。基于这种思路本课题设计合成了具有酰胺基团的离子液体型表面活性剂，研究了分子的表面活性和聚集规律，并用以制备酞菁纳米结构。实验表明，与相同链长的离子液体型表面活性剂相比，目标分子的临界胶束浓度明显下降，说明酰胺基团有利于分子间聚集体的形成。而由此表面活性剂制备的酞菁纳米结构多呈无规则结构，对其组装过程分析可推测由于表面活性剂的亲水头基之间通过酰胺键形成氢键作用使其与酞菁分子的相互作用减弱，导致酞菁纳米结构在溶液中快速析出。根据实验得出的结论研究了具有多羟基生物表面活性剂胆酸钠对组装过程的调控，实验结果表明对于相同的组装单元四吡啶基钛氧卟啉，与CTAB相比胆酸钠更易与卟啉形成缔合物促进其在水中的分散。而且通过胆酸钠的浓度能够有效调控纳米结构形成所需要的时间以及纳米结构的结构和性质并研究了纳米材料的光电响应性能。通过本项目的研究进一步揭示了表面活性剂分子和有机共轭分子的结构和和性质对组装过程的影响和调控，研究了纳米材料的结构和性质之间的关系，为有机共轭分子的可控组装提供了新的信息。