离子液体中单壁碳纳米管的光谱研究

碳纳米管在水和常规有机溶剂中的低溶解度和低分散性，阻碍了对碳纳米管进行定量分析和结构表征的研究进程。离子液体是一种无污染、可回收循环利用的绿色溶剂，不仅能够高浓度地分散单壁碳纳米管，而且不改变碳管自身的电子结构和本征性质，因此是适用于对单壁碳纳米管进行定量分析的优良溶剂。本项目拟利用离子液体作为分散介质，建立一种简便可靠、期望能在较大的浓度范围内对单壁碳纳米管达到定量或半定量分析的光谱表征方法。将通过荧光、共振拉曼和紫外可见近红外吸收等多种光谱学手段，结合分子动力学模拟计算，系统深入地研究离子液体中单壁碳纳米管的各种本征光谱，定量地考察其光谱信号与分散浓度的关系，比较离子液体与常规溶剂分散碳纳米管的区别，并推导离子液体分散单壁碳纳米管的机理。

本课题采用无污染、可回收循环利用的绿色溶剂离子液体作为分散介质，建立了一种在较大浓度和较宽波长范围内对单壁碳纳米管进行定量分析的光谱方法。具体研究工作分为以下三个部分：. 第一，由于离子液体具有吸湿性，而水在近红外区具有非常强的吸收峰，即使离子液体中吸收痕量水也会对碳管的吸收光谱造成巨大影响。为了消除这一影响，我们利用紫外可见近红外吸收光谱定量地表征了离子液体中的痕量水，采用光谱扣除方法对离子液体分散碳管的吸收光谱进行了处理，处理后的吸收光谱与经过真空10小时干燥的离子液体的相应光谱几乎没有区别。这一方法的采用使得利用紫外可见近红外吸收光谱表征含痕量水的离子液体分散的碳管体系更为便捷。. 第二，由于离子液体分散碳管步骤简便、不破坏碳管结构，分散浓度远高于常规方法且所有组分均能完全分散，因此一方面可通过直接称量精确获得碳管质量，另一方面也可获得全样品分析结果、反映原始样品真实的手性组成和丰度分布。我们精确配制了一系列不同浓度的离子液体分散的碳管样品，系统地研究了其紫外可见近红外吸收光谱。发现在很大的浓度范围以及很宽的波段范围内，吸光度与浓度均具有良好的线性关系。将吸收光谱中850-1400 nm波段对应半导体型碳管E11跃迁的部分进行了光谱分峰，获得了与荧光光谱中所有12种半导体碳管手性对应的吸收峰，并作出了相应手性的线性拟合标准曲线。以丰度最高的（6,5）碳管作为参比，得到了12种碳管的相对丰度，发现相对丰度值与碳管手性角存在指数关系，而与碳管管径无明显关系。. 第三，由于离子液体分散的碳管主要以小管束形式存在，我们采用荧光激发光谱考察了离子液体分散的碳管样品，研究了小管束内由小直径、宽带隙半导体管向大直径、窄带隙半导体管的激子能量传递现象，并利用FRET机理对其进行了解释。与表面活性剂SDS分散的碳管相比较，离子液体分散的碳管中激子在通过辐射跃迁重新结合之前并没有达到完全的热平衡，亦即激子在热平衡与通过辐射跃迁重新结合之间存在竞争。