激光辐照及高压诱导下二茂铁掺杂单壁碳纳米管的结构稳定性研究

【摘要】单壁碳纳米管具有中空的孔道结构，可看成是一种理想的限域模版，将分子体系限域在碳纳米管中是目前研究的热点问题。二茂铁是金属有机分子的典型代表，具有很强的失电子能力。二茂铁可以有效的掺杂到单壁碳纳米管中形成复合结构。在二茂铁掺杂单壁碳纳米管的复合材料研究体系中，主客体分子的相互作用以及外界条件对其结构稳定性的影响是目前人们关注的重要课题。本文针对在该研究体系中几个前人尚未解决的重要问题，包括碳管直径选取对掺杂结果的影响，激光辐照后二茂铁掺杂单壁碳纳米管复合材料转化成双壁碳纳米管的中间过程以及高压诱导下该体系的结构稳定性，展开了系统的研究。本文选取了两种不同直径分布的单壁碳纳米管，通过气相扩散法，制备了二茂铁掺杂单壁碳纳米管（Fc@SWCNTs）的复合样品，并通过常压拉曼光谱、红外光谱对其进行了研究。利用633nm的He-Ne激光对Fc@SWCNTs样品进行激光辐照，研究了客体分子的裂解过程。采用原位高压拉曼技术和密度泛函理论模拟，分析了Fc@SWCNTs样品高压下的形变过程，以及主客体分子间相互作用对碳管形变的影响。首次研究了Fc@SWCNTs样品的振动光谱，并对其进行了归属。通过对未掺杂单壁碳纳米管和掺杂后复合样品的拉曼光谱进行比较，我们发现在514nm、633nm两种不同波长激光激发下，不同直径的碳纳米管呼吸振动模式（RBM）的拉曼特征峰都出现了蓝移的现象；在用小直径碳管合成的Fc@SWCNTs样品拉曼光谱中，1438cm-1位置附近出现了一个新峰，它的位置与体材料二茂铁1408cm-1位置的拉曼特征峰接近，可以认定信号来自限域于碳管孔道内的二茂铁分子，而用较大直径碳管合成的复合样品拉曼光谱中，相应位置并没有发现新峰，这可能是因为管径的不同产生了屏蔽作用。红外光谱结果显示，当二茂铁分子进入碳纳米管后，其C-H键振动的红外特征峰出现了明显的红移，这种变化可能是主客体分子间的相互作用导致化学键伸长引起的。在Fc@SWCNTs样品的激光辐照研究中，我们选用波长为633nm的红外激光。通过改变激光功率，发现激光辐照之后的Fc@SWCNTs样品在低波段出现了明显的拉曼新峰。这些新峰并不会随着激光功率的进一步提高而发生变化，表明材料可能形成了一个新的稳定结构。经过对比分析，可以将部分新峰归属为二茂铁裂解产物中碳化铁的拉曼特征峰，除此之外，还出现了双壁碳纳米管的拉曼振动峰。由此我们可以得出结论，Fc@SWCNTs样品在激光辐照后的转化过程中，内部客体分子二茂铁先裂解形成碳化铁，进一步分解出新的碳源，转变为内层碳管。首次研究了Fc@SWCNTs样品的高压拉曼光谱，最高压力达到26GPa，通过对未掺杂单壁碳纳米管与Fc@SWCNTs样品中G-band拉曼峰峰位随压力变化曲线的拐点位置及斜率大小的比较，并结合密度泛函理论的模拟结果，揭示了压力转变点附近，孔道内二茂铁分子取向由沿管轴方向到垂直管轴方向的转变以及二茂铁分子与管壁之间排斥和吸引作用相互转化的过程，同时给出了Fc@SWCNTs样品高压形变的物理图像，即碳管的横截面经历了由圆形向椭圆化然后变为扁平的椭圆形，直至被完全压塌的过程。这些研究结果都为深入了解类似Fc@SWCNTs样品的限域体系复合材料的结构变化、物理性质提供了重要的参考价值。
【作者】张京；
【导师】刘冰冰；姚明光；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】Fc@SWCNTs；单壁碳纳米管；激光辐照；拉曼光谱；密度泛函理论；

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