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稳定的有机分子自由基具有独特的光、电、磁学性质,在相关领域具有广泛的应用。由于含有一个未成对电子,大多数自由基非常活泼,导致寿命非常短,因此如何获得稳定的自由基已经成为一个重大的科学课题。苝酰亚胺(PDI)自由基相对于其本征态具有更高的光热转化效率和电子迁移率,在太阳能电池、传感器、光催化及场效应晶体管等领域的应用过程中扮演极其重要的角色,制备环境稳定的苝酰亚胺自由基一直是研究的热点和难点。通过分子结构修饰可以改善其电子结构和轨道能级,达到稳定自由基的目的。本论文设计了在苝酰亚胺的湾位引入氮杂环和胺位引入氟代烷烃的分子修饰方法,实现了稳定苝酰亚胺自由基的目的,并进一步探索了稳定的苝酰亚胺自由基在气敏传感器和光催化领域的应用研究。本论文的研究分为以下三部分:首先,在烷烃取代的苝酰亚胺的湾位分别引入苯、吡啶和嘧啶,合成了Ph-CPDI、Py-CPDI和Pyrimidine-CPDI三个化合物,以及在胺位引入氟代烷烃取代基合成了Ph-FPDI和Pyrimidine-FPDI两个化合物,通过研究发现湾位氮杂环和胺位氟代烷烃可以显著提高苝酰亚胺自由基的转化率和稳定性,并对其光电性质也有显著影响。湾位氮杂环和胺位氟化取代基均能促使吸收和发射波长发生蓝移,并提高了荧光量子产率。通过高斯计算和电化学分析发现,湾位氮杂环和胺位氟化取代基均能提高苝酰亚胺的还原电位,并降低了LUMO和HOMO的轨道能级。其次,为研究自由基的高稳定性对半导体传感材料性能的影响,以Pyrimidine-FPDI作为传感材料,通过简单的滴膜法制备了高灵敏度的水合肼气敏传感器。该传感器展示了超低的检测浓度、超快响应、高重复使用、优良的选择性、优异的长期稳定性和热稳定性等。此外,对传感器薄膜厚度、环境温度和湿度等影响因素也进行了初步研究。通过与Ph-FPDI对比研究发现,具有高自由基稳定性的Pyrimidine-FPDI极大的提高了该半导体气敏传感器的传感性能。最后,利用稳定的苝酰亚胺自由基实现了光催化还原金属离子的研究。在可见光辐射下,Ph-FPDI,Pyrimidine-FPDI和Pyrimidine-CPDI在NMP溶剂中可以转换为相对稳定的持久自由基,并研究了取代基、溶剂种类、浓度以及光照强度等因素对光诱导还原催化反应的等影响。研究表明,湾位氮杂环取代基和胺位氟化可以显著提高光催化活性和自由基稳定性。进一步利用光诱导Pyrimidine-FPDI进行了催化还原金属离子的实验。通过光催化成功将Ag~+还原为高纯度的金属银纳米颗粒。综上所述,本文通过分子修饰的方法成功地提高了苝酰亚胺自由基的稳定性,其应用研究表明自由基的高稳定性显著提高了苝酰亚胺材料在半导体传感和光催化领域的性能。