CN102881826A - 一种二维共价网格及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维共价网格及其制备方法。该方法包括如下步骤:在基底上沉积化合物A得到经修饰的基底;将化合物B和所述经修饰的基底置于密闭体系中;加热所述密闭体系,所述化合物B经气化后与所述化合物A进行偶联反应,即得到由共价键连接而成的二维共价网格。本发明提供的二维共价网格尺度大、缺陷少、高度有序。本发明提供的制备方法简单经济,不需要高端精密的仪器,不需要高能量。本发明提供的方法将反应物分开,使化合物B气化接触到基底上的化合物A,从而发生反应;与溶液法相比,化合物A与化合物B的化学剂量无需严格控制。该方法适用于很多反应,如羧基、羟基、氨基、酰氯、醛基、苯硼酸基等官能团之间的偶联反应,具有一定的普适性。

Description

一种二维共价网格及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二维共价网格及其制备方法,属于纳米材料制备技术领域。
背景技术
相对三维结构材料,二维结构材料由于在维度上的改变而表现出异于三维结构材料的新奇性质。石墨烯是二维蜂窝状结构的最典型代表,它具有极高的载流子迁移率、高透光性、高强度等众多优异的物理化学性质,在电子学、自旋电子学、光电子学、太阳能电池、传感器等领域有着重要的潜在应用。发展类石墨拓扑结构且由共价键连接的二维共价网格结构,有可能获得其他具有优异性能的二维结构材料,成为人们研究的热点之一。
虽然人们可以从三维材料剥离获得二维共价网格结构,但操作技术要求高,层数通常为多层,且难于控制。因此人们致力于发展基底上直接生长二维共价网格的方法。目前,适合制备二维共价网格的反应有:硼酸脱水反应、席夫碱反应、乌尔曼自由基反应、聚酰亚胺的合成反应等。虽然科学家不断努力尝试改变制备二维共价网格的反应基团种类和反应条件,但是目前得到二维共价网格极大多数都存在尺度小,缺陷多的问题。二维共价网格的不连续性会严重影响其性能特征,这一问题成为二维共价网格应用最急需突破的瓶颈之一。例如Grill等人利用5,10,15,20-四(4-溴苯基)卟啉的分子间乌尔曼反应合成二维共价网格(Nature Nanotechnology,2007,2,687-691)。在330°C下卟啉核具有高稳定性,而C-Br键较弱会发生分解形成具有活性的苯自由基。在高温条件下,这些自由基相互之间发生偶联反应形成正方形的二维共价网格。Zwaneveld等超高真空条件下在Ag(111)表面构筑基于硼酸脱水反应的二维共价网格(J.Am.Chem.Soc.,2008,130,6678-6679)。这些制备过程在超高真空条件下进行,条件苛刻,且所制备的网格有序度很低,畴区不超过20nm,严重影响了其在光电器件上的应用。
发展一种简单易行,便于在普通实验条件下制备高度有序并且结构稳定的二维共价网格技术是相关材料研究的瓶颈。
发明内容
本发明的目的是提供一种二维共价网格及其制备方法,该方法可克服现有方法存在的问题,能够得到尺度大,几乎无缺陷,高度有序的二维共价网格,且该方法无需精端的仪器,无需高能量,操作简单经济。
本发明所提供的一种二维共价网格的制备方法,包括如下步骤:
在基底上沉积化合物A得到经修饰的基底;
将化合物B和所述经修饰的基底置于密闭体系中;加热所述密闭体系,所述化合物B经气化后与所述化合物A进行偶联反应,即得到由共价键连接而成的二维共价网格。
上述的制备方法中,所述基底为惰性的,其与所述化合物A和所述化合物B反应。
上述的制备方法中,所述基底具体可选择为Au(111)、Ag(111)、Cu(111)、石墨等不与反应物发生氧化/还原反应的物质中的一种,所述的基底在使用前要进行表面清洁处理。
上述的制备方法中,所述化合物A可经溶液沉积法或物理气相沉积法沉积到所述基底上。
上述的制备方法中,所述化合物A和化合物B均包括至少2个活性反应基团。
上述的制备方法中,所述活性反应基团具体可为羧基、羟基、氨基、酰基、醛基或苯硼酸基等基团。
上述的制备方法中,所述化合物A具体可为1,3,5-苯三甲醛、1,3,5-三(4-氨苯基)苯或2,3,6,7,10,11-六羟基三苯;
所述化合物B具体可为对苯二甲胺、对苯二甲醛、对苯二甲酸、对苯二酸二肼或对苯二硼酸。
本发明还提供了由上述方法制备的二维共价网格,该二维共价网格的尺寸大、缺陷少、高度有序。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
1、本发明提供的二维共价网格尺度大、缺陷少、高度有序。
2、本发明提供的制备方法简单经济,不需要高端精密的仪器,不需要高能量。
3、本发明提供的方法将反应物分开,使化合物B气化接触到基底上的化合物A,从而发生反应;与溶液法相比,化合物A与化合物B的化学剂量无需严格控制。
4、该方法适用于很多反应,如羧基、羟基、氨基、酰氯、醛基、苯硼酸基等官能团之间的偶联反应,具有一定的普适性。
附图说明
图1为实施例1制备的二维共价网格的反应方程式。
图2为实施例1制备的二维共价网格的STM图像和模型,其中,图2(a)为该二维共价网格的大范围STM图像,图2(b)为该二维共价网格的高分辨STM图像,图2(c)为该二维共价网格的模型。
图3为实施例1制备的354.2×354.2nm2二维共价网格的STM图像。
图4为对比例1制备的二维共价网格的大范围STM图像。
图5为实施例2制备二维共价网格的反应方程式。
图6为实施例2制备的二维共价网格的STM图像和模型,其中,图6(a)为该二维共价网格的大范围STM图像,图6(b)为该二维共价网格的高分辨STM图像,图6(c)为该二维共价网格的模型。
图7为对比例2制备的二维共价网格的大范围STM图像。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。
实施例1、以高定向裂解石墨为基底,1,3,5-苯三甲醛和对苯二甲胺为反应物制备大尺度高度有序的二维共价网格
(1)配制10mL摩尔浓度约为10-4M的1,3,5-苯三甲醛的四氢呋喃溶液。
(2)取约5μL1,3,5-苯三甲醛的四氢呋喃溶液蘸于新裂解的石墨上,待溶剂自然挥发后,将石墨、对苯二甲胺固体和1.1g CuSO4·5H2O放入封闭的反应釜中。
(3)将反应釜放入烘箱中加热至120℃,对苯二甲胺气化后与1,3,5-苯三甲醛进行偶联反应,反应时间为3小时,自然降温后即可。
上述偶联反应的的方程式如图1所示,制备得到的产物的理论计算网格孔径为2.2nm,与实际测量值高度一致,说明得到了预期的二维共价网格。
该实施例制备的二维共价网格的STM图像和模型如图2所示。
图3为该实施例制备的354.2×354.2nm2二维共价网格的STM图。
由图2和图3可得知,将两种反应物分开的方法制备的二维共价网格面积可达300×300nm2以上,缺陷少且高度有序,说明该方法的有效性。
对比例1、
采用传统的方法,将1,3,5-苯三甲醛和对苯二甲胺的四氢呋喃溶液均蘸于石墨上,待溶剂自然挥发后,将石墨和约1.1g CuSO4·5H2O放入封闭的反应釜中,加热至120℃,反应时间为3小时。
该对比例1得到的二维网格的STM图像如图4所示。
由图4可得知,若采用传统的方法,由1,3,5-苯三甲醛和对苯二甲胺制备的二维网格除了形成理想的六元环外,还出现了线状结构、七元环、八元环等,这种方法缺陷多,畴区面积小于30×30nm2
实施例2、以高定向裂解石墨为基底,1,3,5-三(4-氨苯基)苯和对苯二甲醛为反应物制备大尺度高度有序的二维共价网格
(1)配制10mL摩尔浓度约为10-4M的1,3,5-三(4-氨苯基)苯的四氢呋喃溶液。
(2)取约5μL1,3,5-三(4-氨苯基)苯的四氢呋喃溶液蘸于新裂解的石墨上,待溶剂自然挥发后,将石墨、对苯二甲醛固体和约1.1g CuSO4·5H2O放入封闭的反应釜中。
(3)将反应釜放入烘箱中加热至120℃,对苯二甲醛气化后与1,3,5-三(4-氨苯基)苯进行偶联反应,反应时间为3小时,自然降温即可。
上述偶联反应的的方程式如图5所示,由图5可知,理论计算网格孔径为3.0nm,与实际测量值3.2nm吻合,说明得到了预期的二维共价网格。
该实施例制备的二维共价网格的STM图像和模型如图6所示。
由图6可得知,将两种反应物分开的方法制备的二维共价网格形成理想的六元环,具有高的有序度,说明该方法的有效性。
对比例2、
采用传统的方法,将1,3,5-三(4-氨苯基)苯和对苯二甲醛四氢呋喃溶液均蘸于石墨上,待溶剂自然挥发后,将石墨和约1.1g CuSO4·5H2O放入封闭的反应釜中,加热至120℃,反应时间为3小时。
该对比例2得到的二维网格的STM图像如图7所示。
由图7可得知,若采用传统的方法,由1,3,5-三(4-氨苯基)苯和对苯二甲醛在石墨上直接反应得到无序结构。
按照与实施例1中相同的方法,将反应底物相应的替换为1,3,5-三(4-氨苯基)苯与对苯二甲酸、1,3,5-苯三醛与对苯二酸二肼和2,3,6,7,10,11-六羟基三苯与对苯硼酸,可以同样制备出相应结构稳定的二维共价有机网格。
由上述实施例和对比例及其制备维共价网格的STM图像可得知,本发明制备的二维共价网格尺度大、缺陷少且高度有序,具有较高的载流子迁移率,在有机晶体管和传感器领域有着重要的应用前景。

Claims (8)

1.一种二维共价网格的制备方法,包括如下步骤:
在基底上沉积化合物A得到经修饰的基底;
将化合物B和所述经修饰的基底置于密闭体系中;加热所述密闭体系,所述化合物B经气化后与所述化合物A进行偶联反应,即得到由共价键连接而成的二维共价网格。
2.根据权利要求1所述的制备方法,其特征在于:所述基底为惰性的。
3.根据权利要求2所述的制备方法,其特征在于:所述基底为Au(111)、Ag(111)、Cu(111)或石墨。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法,其特征在于:所述化合物A经溶液沉积法或物理气相沉积法沉积到所述基底上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的制备方法,其特征在于:所述化合物A和化合物B均包括至少2个活性反应基团。
6.根据权利要求5所述的制备方法,其特征在于:所述活性反应基团为羧基、羟基、氨基、酰基、醛基或苯硼酸基。
7.根据权利要求6所述的制备方法,其特征在于:所述化合物A为1,3,5-苯三甲醛、1,3,5-三(4-氨苯基)苯或2,3,6,7,10,11-六羟基三苯;
所述化合物B为对苯二甲胺、对苯二甲醛、对苯二甲酸、对苯二酸二肼或对苯二硼酸。
8.权利要求1-7中任一项所述方法制备的二维共价网格。
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