完全共轭的三维COFs材料的合成及其光电性能研究
共价有机框架材料(COFs)由于其具有结晶性好、孔隙率高、结构功能设计多样等特点，被广泛应用于储能、分离、催化、光电器件等诸多领域。其中，完全共轭的三维COFs具有更为复杂的穿插结构，能够在整个三维框架内传输电荷，在光电等应用中更具优势。然而，由于三维完全π共轭连接体的缺乏，目前报道的三维COFs大多为非完全共轭材料，这在很大程度上限制了它的应用。因此，本文设计了一种三维的sp2碳共轭的连接体，并进一步合成了两种完全π共轭的三维COFs。 1、本文设计合成了马鞍状结构的醛基取代的环八四噻吩(COThP-CHO)构筑块，其具有sp2π-电子共轭的三维骨架，可作为连接体来设计合成完全π-共轭的3D COFs。本文首次以马鞍形的COThP-CHO和1，4-二氨基苯(DAB)为原料，通过可逆的席夫碱缩聚反应合成了一个高结晶度的完全π共轭的3D COFs材料BUCT-COF-1。通过一系列的表征和系统分析，表明BUCT-COF-1具有13倍互穿的金刚石(dia-c13)拓扑结构，并且表现出高电子迁移率的带状传输，具有n型半导体特性，在室温下(298K)，计算出其电荷载流子密度为3.40×1010cm-3，电导率为1.51×10-8S/cm，在直流电极限值内的霍尔电子迁移率为2.75cm2/(V s)，在～3.0cm2/(V s)范围内最高，比目前的n型半导体二维COFs高出一个数量级。进一步探究了BUCT-COF-1的电荷传输机理，温度相关的电导率测量结果表明，BUCT-COF-1中的载流子表现出与普通有机材料中的跳跃传输现象完全不同的带状传输机制。 2、为了进一步拓展三维COFs材料在光电器件等领域的应用，本文再次以COThP-CHO为连接体，与对苯二乙氰（PDAN）通过Knoevenagel缩聚反应合成了具有更大π-π共轭体系的完全sp2碳共轭的三维共价有机框架材料BUCT-COF-4，与亚胺键连接的COFs材料相比，BUCT-COF-4具有更大的π-π共轭体系，而且C=C键连接的COFs的稳定性更好，从而使其在光电领域等应用中更具优势。本文探索了BUCT-COF-4的合成条件，实验结果表明BUCT-COF-4也具有高电子迁移率的带状传输，表现出n型半导体特性，在室温下(298K)，计算出其电荷载流子密度为1.81×1011cm-3，具有比BUCT-COF-1更高的电导率，为5.41×10-8S/cm，在直流电极限值内的霍尔电子迁移率为1.97cm2/Vs，也比目前的n型半导体二维COFs高出一个数量级。BUCT-COF-4的成功制备推动了完全共轭三维共价有机框架材料在光电等领域的发展。
三维共价有机框架材料;合成工艺;完全π共轭;光电性能
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
曹达鹏;王世涛
2021
中文
TB34
2021-09-24（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）