基于六巯基苯的新型导电配位聚合物的化学与物理

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配位聚合物具有组成、结构和功能上的多样性,可以被用在催化、气体储存、气体分离、发光、磁性等多种领域。而对于配位聚合物的电学相关性质的研究,不管是材料体系还是设计思路上都还比较匮乏。本文中,我们基于含有二硫乙烯结构单元的配体——六巯基苯设计并合成了两种导电配位聚合物:六巯基苯铜(Cu-BHT)和六巯基苯银(Ag-BHT)。通过多种表征手段解析了它们的结构,并且探索了它们的物理化学性质和应用。  本文的研究成果如下:  1.利用非均相界面反应合成了Cu-BHT薄膜。借助粉末X射线衍射和掠入射X射线衍射技术,以及量子计算模拟,解析出了Cu-BHT的晶体结构:由分子式为[Cu3(C6S6)]n的二维六方结构晶面堆积而成。其室温电导率能够达到破纪录的1580S/cm。还利用Cu-BHT构建了具有高迁移率双极性输运特征的场效应器件,电子和空穴迁移率分别能够达到99cm2·V·-1s-1,116cm2·V-1·s-1。  2.通过对反应条件的优化,制备了高结晶度的Cu-BHT薄膜。通过粉末X-射线衍射,高分辨透射电子显微镜,高分辨扫描透射电子显微镜的表征及分析证实了Cu-BHT具有二维Kagome格子结构。通过变温电阻、交流磁化率以及比热测试,证实了Cu-BHT是一个临界温度为0.25K的体相超导体。除此之外还在Cu-BHT中观测到一个转变温度为3K的第二超导相,有可能是来源于单层或少数层的Cu-BHT。这是首次在配位聚合物材料中观测到超导现象。在Cu-BHT的低温比热数据中观测到强烈的自旋涨落行为,这有可能是Cu-BHT中带有S=1/2自旋的Cu2+离子构成了Kagome格子阻挫体系。这一结果说明Cu-BHT中可能具有新颖的金属自旋液体相。  3.通过均相反应制备了Cu-BHT纳米晶和纳米颗粒,探索了其用作电化学催化析氢催化剂的性能。结果表明Cu-BHT具有一定的电催化析氢活性和较好的稳定性。其中Cu-BHT纳米颗粒具有比Cu-BHT纳米晶好得多的活性,体现在更小的析氢过电位(达到10mA·cm-2电流密度需要的过电位分别为760mV和450mV),更小的塔菲尔斜率(分别为95mV·decade-1和120mV·decade-1)和更大的交换电流密度上。另外通过对Cu-BHT的不同晶面上可能的反应位点进行活性氢吸附的模拟计算发现:(100)面上的‘Cu-edge’位点吉布斯自由能绝对值最小,具有最高的活性,在Cu-BHT的电化学催化析氢过程中可能起到了关键作用。  4.通过多种反应条件制备了不同形貌的Ag-BHT配位聚合物微晶,包括:Ag-BHT纳米晶,具有纳米阵列结构的Ag-BHT薄膜,以及Ag-BHT纳米线。利用旋转电子衍射三维重构的方法得到了Ag-BHT可能的晶胞参数,进一步结合粉末X射线衍射数据解析得到了Ag-BHT的晶体结构。Ag-BHT薄膜同Ag-BHT纳米晶具有截然不同的电输运性质:Ag-BHT薄膜的电导率较高,随温度依赖关系弱,呈明显的半金属或金属导电行为,而Ag-BHT纳米晶的电导率相对较低,温度依赖关系强,呈明显的半导行为。
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