单壁碳纳米管吸附联苯类有机物的荧光光谱分析

第27卷　第1期

2007年1月

物　理　实　验　P H YSICS EXPERIM EN TA TION

Vol.27　No.1

　J an.,2007

　收稿日期:2006205219;修改日期:2006207227　作者简介:徐中辉(1982-),男,江西赣县人,西安交通大学应用物理系硕士研究生,研究方向为非线性光学.　指导教师:邱复生(1956-),男,上海人,西安交通大学应用物理系教授,主要从事有机非线性光学材料、光电子及器件

设计方面的研究

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单壁碳纳米管吸附联苯类有机物的荧光光谱分析

徐中辉,邱复生,牛海波,陈信伟,黄新刚

(西安交通大学应用物理系,陕西西安710049)

摘　要:利用芳香族化合物对单壁碳纳米管进行了化学修饰,并利用荧光光谱以及时间分辨光谱对修饰后的单壁碳纳米管进行了表征分析.实验发现吸附对三联苯后有1个荧光峰位置发生了蓝移,这说明吸附过程使对三联苯的一些能级分布发生了变化.测量吸附前后对三联苯和蒽甲醇的荧光寿命,发现吸附后的荧光衰减曲线下降趋势更加明显,对曲线进行多指数拟合得出的荧光寿命及其数目发生了变化,分析了可能导致该现象的原因.

关键词:单壁碳纳米管;化学修饰;荧光光谱;荧光寿命

中图分类号:O433.4 文献标识码:A 文章编号:100524642(2007)0120010204

1　引　言

近年来碳纳米管的化学修饰成为纳米领域一

大研究热点.通过对碳纳米管进行化学修饰,使修饰后的碳纳米管在某些溶液环境或者纳米复合材料中的分散度得到明显改善,并且为碳纳米管的分离和提纯提供了更为有利的条件.碳纳米管的修饰研究已逐步发展成为制备具有某些特定功能的碳纳米管及其复合材料的手段.修饰后的碳纳米管不仅保持了原有的特异性质,而且还表现出修饰基团参加反应的活性,为碳纳米管的分散、组装及表面反应提供了可能[13].本文利用芳香族化合物对单壁碳纳米管管壁进行了功能化,并利用荧光光谱以及时间分辨光谱对功能化后的单壁碳纳米管进行了表征分析.

2　实验部分

2.1　实验原料及设备

实验原料:单壁碳纳米管购自中科院成都有机化学所(纯度90%),催化裂解制成;92蒽甲醇及对三联苯为分析纯,购自美国Sigma 2Aldrich 公司;三氯甲烷为分析纯,西安化学试剂厂生产.

实验仪器:荧光光度计(英国Per KinElmer L S55),时间分辨光谱仪(英国Edinburgh Inst ru 2ment s ,FL S920,激发波长372nm ),电子天平,恒温磁力搅拌器,超声波清洗器,红外干燥箱,真空

抽滤装置,油系微孔滤膜(孔径0.22μm ,直径50mm ,陕西奥联科技有限公司生产).2.2　实验过程

用电子天平称量3mg 的单壁碳纳米管及3mg 的蒽甲醇,先将蒽甲醇放入40mL 的三氯甲烷中,摇晃使蒽甲醇充分溶解,然后抽取5mL 的溶液保存,在剩余的溶液中加入单壁碳纳米管,将混合物在功率为100W 的超声波清洗器中超声振荡2h ,使团聚着的单壁碳纳米管充分分散.由于超声振荡时水温会逐渐升高,而温度的升高会使单壁碳纳米管加速团聚,因此要每隔20min 换一次水.超声分散时可以观察到团聚着的单壁碳纳米管逐渐分散开来,液体颜色变为浓黑色.随后利用恒温磁力搅拌器在室温下搅拌混合物72h ,然后再静置24h ,小心地抽去一部分上层黑色溶液保存,然后将剩余的混合物用孔径为0.22μm 、直径为50mm 的油系滤膜进行真空抽滤,并将过滤物用大量的三氯甲烷进行冲洗,以除去未吸附的蒽甲醇.随后将收集到的产物在温度为30℃的红外干燥箱干燥24h 备用.

单壁碳纳米管吸附对三联苯的实验过程与上述吸附蒽甲醇的实验过程相同,分别抽取部分纯溶液和吸附后的上层液体进行保存,以进行后续的各种比较和表征.2.3　荧光光谱

蒽甲醇以及对三联苯均有强烈的荧光光谱,

通过分析吸附前后溶液的荧光谱及分散到三氯甲烷中的吸附芳香环化合物后的单壁碳纳米管的荧

光光谱,可了解单壁碳纳米管吸附前后的变化.

图1为激发波长为360nm 时吸附前后蒽甲醇溶液的荧光光谱,其中曲线a 为纯蒽甲醇溶液(3.6×10-4mol/L )的荧光光谱,曲线b 为单壁碳纳米管吸附蒽甲醇后溶液的荧光光谱,图中小图为曲线b 的强度放大9倍与曲线a 进行比较

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图1　吸附前后蒽甲醇溶液的荧光光谱

比较吸附前后荧光峰的位置,没有发现改变.当将吸附蒽甲醇后的单壁碳纳米管颗粒重新分散到三氯甲烷溶液中,测量其荧光光谱,发现有较弱的荧光,其荧光峰的位置也没有改变,399nm 左右的荧光峰的位置与溶液的浓度有关,414nm 和437nm 左右的峰的位置不受溶液的浓度和单壁

碳纳米管加入的影响.这与Zhang J.

[4]

的单壁碳

纳米管吸附蒽及其衍生物后荧光峰的位置均有不同程度的红移的报道不一致,而与T.G.Hedder 2man [5]的相关研究一致.荧光峰是否发生移动与

蒽及蒽的衍生物的结构有关.蒽是由3个苯环组成的,3个苯环紧紧连在一起,苯环之间不能自由转动,因此蒽是有着锁定的平坦结构的分子,这种结构使其可以理想地吸附在纳米碳管上,而不需

要苯环间进行π电子的转移,因此没有红移或者蓝移现象的产生.

图2所示为激发波长为310nm 时吸附前后对三联苯溶液的荧光光谱,其中曲线a 为纯对三联苯溶液(4.3×10-4mol/L )的荧光光谱,曲线b 为单壁碳纳米管吸附对三联苯后溶液的荧光光谱.图中小图为将曲线b 的强度放大5倍与曲线a 比较.比较荧光峰的位置,342nm 和358nm 左

右的峰位置没有发生移动,将吸附对三联苯后的单壁碳纳米管颗粒重新分散到三氯甲烷溶液中测

量其荧光光谱,

也没有发现峰位置变化.

图2　吸附前后对三联苯溶液的荧光光谱

将激发波长改为380nm ,分别激发纯溶液和分散到三氯甲烷中的吸附对三联苯后的单壁碳纳米管,研究390520nm 之间的荧光峰,发现荧光峰的位置发生了蓝移,如图3所示,其中曲线a 为纯对三联苯溶液(4.3×10-4mol/L )的荧光光谱,曲线b 为吸附对三联苯后单壁碳纳米管的荧光光谱(1mg/100mL ),小图为将曲线b 的强度放大4倍后的荧光光谱与原溶液荧光光谱进行比较.曲线a 中峰的位置在413nm 和438nm ,曲线b 中峰的位置在404nm 和429nm ,曲线b 相对于曲线a 中峰的位置蓝移了9nm.T.G.Hedder 2man [5]在甲苯中进行了单壁碳纳米管吸附对三联苯的实验,发现吸附后的溶液的荧光峰的位置红移了20nm ,对于红移的解释为:在溶液中对三联苯分子中的苯环可以自由地转动而不受其他苯环的影响,导致单个苯环的π电子之间没有紧密联系,然而当对三联苯吸附到单壁碳纳米管上时,对三联苯分子中的3个苯环必须处于同一平面上,这就使苯环中的π电子发生了联系,导致π电子发生转移,因而产生了红移现象.

图3　纯对三联苯溶液和分散到三氯甲烷中的吸附

对三联苯后的单壁碳纳米管的荧光光谱

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1第1期 徐中辉,等:单壁碳纳米管吸附联苯类有机物的荧光光谱分析