苯基-[雌(甾)-17β-醇-3]-偶氮化合物(PED)在聚甲基丙烯酸甲酯薄膜中的光化学异构化反应研究

本文研究了PED偶氮化合物在聚甲基丙烯酸甲酯固体介质中的光化学顺反异构化反应。对此种体系在π,π^*和n,π^*激发条件下光化学顺反异构化的量子产率、光稳态组成以及所在聚合物体系中的自由体积分布等的测定方法和原理进行了详细的介绍。这些方法对其它类似的光致变色体系同样也是适用的。     

Microwave awakening the n-π* electronic transition in highly crystalline polymeric carbon nitride nanosheets for photocatalytic hydrogen generation

The n-π^* electronic transition in polymeric carbon nitride(PCN)can remarkably harvest visible light,which thus potentially promotes the photocatalytic hydrogen H2 generation.However,awaking the n-π^* lectronic transition has proven to be a grand challenge.Herein,we reported on the awakening of n-π^* electronic transition by microwave thermolysis of urea pellet,which yielded the PCN with absorption edge of 600 nm,near 140 nm red-shift from 460 nm of pristine PCN.The n-π^* electronic transition endows PCN with an increased photocata lytic H₂ generation,with a highest H₂ rate of 61.7μmol h^-1 under visible light exposure,which is near 6 times higher than that by using the PCN from the thermolysis of urea pellets in an electric furnace(10.6μmol h^-1).Furthermore,the n-π^* transition in PCN leads to the longest wavelength of 535 nm that can initiate H2 generation,remarkably longer than the absorption edge of pristine PCN(460 nm).This work manifests the advantages of microwave sintering route to awaken the n-π^* electronic transition in PCN for an increased photocata lytic performance.     

假1,2-二苯乙烯型偶氮苯合成、表征及其光致异构性能

合成系列假1,2-二苯乙烯型偶氮苯,利用FT-IR、NMR、ESI-MS和元素分析等技术手段确定目标化合物结构,并通过UV-Vis光谱研究其光致变色性能,测定其溶液态光致顺反异构速率常数,同时考察其在聚甲基丙烯酸甲酯掺杂薄膜中抗疲劳性能,结果表明,目标化合物在乙酸乙酯中π-π^*能级低于n-π^*能级,且两个能级出现重叠,异构转变速率常数数量级10^-1~10⁰ s^-1,反→顺异构转变速率常数k_t受到偶极-偶极作用力和空间位阻效应影响,偶极-偶极作用力对单溴代物的k_t影响比二溴代物大,空间位阻效应对二溴代物的k_t影响比单溴代物大,顺→反异构转变速率常数k_c与k_t大小顺序相反,在聚甲基丙烯酸甲酯掺杂薄膜中有良好的抗疲劳性能。     

某些香豆素酮类化合物三重态最低能级特性的判别

芳酮类敏化剂的最低激发三重态的特性对其光还原反应的能力往往起着决定性的作用。本文通过对五种香豆素酮类化合物发射光谱行为的研究,明确了它们激发三重态(T₁)的特性,指出化合物3-苯甲酰基香豆素、对苯二甲酰基二香豆素和3,3-二香豆素甲酮的T₁态主要为n,n^*特性,而3-呋喃甲酰基香豆素及3-噻吩甲酰基香豆素的T₁态具有n,n^*和π,π^*混合的特性。     

g-CN体系的准粒子能带结构和光学特性

利用多体格林函数理论,本文研究了二维CN体系(包括triazine和tri-s-triazine)的激发态特性。通过GW方法,我们计算了准粒子的能量。考虑电子-空穴相互作用,通过求解Bethe-Salpeter方程,我们获得了激发态能量和光谱。我们发现,在这两种CN体系的价带中,σ轨道和π轨道之间的交换作用非常强烈。由于占据的σ轨道和π轨道之间的准粒子修正量非常不同,因此,为了得到准确的带隙值和光谱,我们需要对这两种轨道开展精确的GW计算。与单层的CN体系相比,双层结构中层与层之间的范德华相互作用使带隙值降低了0.6 eV,而光吸收谱红移了0.2 eV,这是由于双层结构具有更小的激子束缚能。我们计算的吸收峰的位置与实验结果符合很好。实验中的吸收峰主要是由深能级的π轨道到π^*轨道的跃迁形成的。π→π^*跃迁和σ→π^*跃迁之间的耦合能够在长波长范围产生弱的吸收尾巴,如果调整入射光的极化方向,由σ→π^*跃迁产生的高强度的吸收峰将会在更低能量处出现。     

共晶诱导增强的电化学发光9,10-二苯基蒽-苝微晶构建高效尿酸传感器

采用表面活性剂辅助自组装方法, 制得非共平面分子9,10-二苯基蒽(DPA)与平面型分子苝(Pe)形成的具有共晶诱导增强效应的电化学发光(ECL)新材料. DPA的引入不仅可以有效降低Pe分子因π-π作用聚集 引起的聚集诱导猝灭(ACQ)效应, 导致Pe分子的ECL发射从二聚体或多聚体激发态(¹Pe^2*)转变为单体激 发态(¹Pe^*); 还发挥了供体分子的作用, 为受体分子Pe提供了有效的能量传递, 进一步增强了ECL响应. 将该共晶发光材料修饰到玻碳电极表面构建了新型ECL尿酸传感器, 其对尿酸检测的线性范围为0.01 μmol/L~ 5.0 mmol/L, 检出限为4.0 nmol/L, 具有良好的选择性和稳定性.     

鲁米诺-二甲亚砜-氢氧化钠体系化学发光机理的理论研究

用密度泛函理论(DFT) B3PW91/6-31G**方法研究了鲁米诺-二甲亚砜-氢氧化钠化学发光反应体系中反应物、中间体和产物的分子结构和振动频率, 用B3PW91/6-311＋G(3df,2p)方法获得反应能量以及用时间相关(Time Dependent, TD)的B3PW91/6-311＋G(3df, 2p)方法进行电子激发能态分析. 研究结果支持了下列化学发光反应通道: LH₂(¹A)＋OH^－ →LH₂•OH^－(¹A)→LH^－(¹A)→L^·－(²A)→TS₁(³A)→LO₂^2－(³A)→TS₂(³A)→AP^2－*(?³A)→AP^2－(X³A)＋hν, 最后即AP^2－*回到基态发光; 或AP^2－*(?³A)→AP^2－*(?¹A)→AP^2－(a¹A)＋hν, 即激发态势能面交叉后的单重态跃迁发光. 它们在可见光区域主要有400～460和500～530 nm的强吸收谱带, 与实验结果符合. 研究还表明, 质子化的鲁米诺能量将大幅度降低, 说明酸性溶液导致鲁米诺的反应活性降低, 从理论上解释了鲁米诺化学发光体系的溶液须呈碱性, pH值影响发光反应的实验事实.     

B4O分子异构化稳定性的理论研究

采用CCSD(T)/6-311+G(2df)//B3LYP/6-311+G(d)方法, 系统研究了B₄O体系各个异构体的结构和能量, 以及重要异构体的解离和异构化稳定性. 结果表明, 单态平面三角形含-BO单元的异构体cB₃-BO ¹1能量最低, 其次是带状的异构体B₄O ¹2(10.9 kJ/mol), 并且¹1和¹2结构都具有良好的动力学稳定性. 因此对于B₄O体系, ¹1和¹2都是有可能存在的. 而文献报道的三态直线型结构BBBBO(146.0 kJ/mol)的能量比异构体¹1和¹2高得多.     

饱和脂肪族羰基化合物的n→π*吸收峯位移与取代基常数间的定量关系

Borrell^[1]曾认为在饱和脂肪族羰基化合物中,若与羰基直接相连原子的电负性愈大,则羰基氧原子上的孤电子对愈不易激发,故其电子光谱n→π^*吸收峯将移向短波方向,并由一些实验数据发觉相对频率位移△v 和原子电负性值间有线性关系。     

α-氰基丙烯酸乙酯阴离子聚合的密度泛函理论研究

运用密度泛函理论DFT-B3LYP方法,在6-31G^*基组水平上,首次全优化计算了α-氰基丙烯酸乙酯与羟基反应势能面上的反应物、过渡态的分子几何、电子结构、能量、IR光谱和热力学性质,求得气相中反应的活化能为13.83 kJ·mol^-1,引发速率常数数量级为10¹⁰ s^-1,从热力学和动力学两方面阐明了阴离子聚合机理.通过自洽反应场(SCRF) B3LYP/6-31G^*计算,系统研究了相对介电常数分别为2.02, 2.38, 7.58和12.3的溶剂对反应物和过渡态的结构和反应机理的影响,发现溶剂效应使过渡态的活化能随极性增大而下降,并使引发反应在极性溶剂中接近于无垒反应.     

次氟酸分子的势能函数及其振动光谱的同位素效应的理论研究

用三原子振动激发态的变分计算程序(TRIATOM)精确计算次氟酸分子H¹⁶OF的振动激发态的能级以及次氯酸分子中的H和O分别被D和¹⁸O取代后的H¹⁸OF,D¹⁶)OF和D¹⁸OF的同位素效应,理论计算值与已有的实验结果吻合较好。预测了一些尚未观测到的谱线频率及同位素效应,并确立了一个同位素位移的加和规则。     

铜(Ⅱ)氮氧自由基配合物铁磁耦合机理的理论研究

用密度泛函理论结合对称性破损态方法对氮氧双自由基以及铜(Ⅱ)-氮氧自由基配合物的磁耦合常数进行了计算.结果表明铜(Ⅱ)-氮氧自由基配合物为铁磁耦合.对配合物磁轨道进行了分析,表明体系的铁磁耦合作用主要来自于Cu离子的轨道与自由基的π^*轨道正交.自旋密度分布分析显示:在氮氧自由基与金属铜两个自旋耦合片的自旋耦合主要来自于中心Cu离子的轨道电子向氮氧自由基上的π^*轨道的电子转移,这一电子特征的变化引起的自旋离域在Cu离子和氮氧自由基片的铁磁耦合中起到了重要的作用.     

芳基桥联的二薁二酰亚胺的设计合成及场效应晶体管性能研究

在本工作中,发展了一种新的合成策略,利用薁各位点的反应活性差异选择性地在薁的1-位进行官能团化,合成了由苯环（B）或噻吩并[3,2-b]噻吩基团（TT）桥联的二薁二酰亚胺化合物AzAzBDI-1、AzAzBDI-2和AzAzTTDI.AzAzBDI-2的单晶结构显示其具有扭曲的共轭骨架,相邻的两个分子通过分子间薁的七元环和五元环的π-π相互作用形成二聚体,二聚体与二聚体之间通过强的π-π相互作用形成滑移的一维堆积.用紫外-可见光吸收光谱和循环伏安法对三个化合物的光谱和电化学性质进行表征,计算出各分子的轨道能级和带隙.基于三个化合物的有机场效应晶体管器件（OFET）均表现出n-型主导的双极性有机半导体特性.其中AzAzTTDI表现出最优的OFET性能,其电子和空穴迁移率分别为0.087 cm²·V^－1·s^－1和8.8×10^－3 cm²·V^－1·s^－1.     

吡啶离子液体[BPy][BF4]与乙腈混合体系中杜醌的光化学反应动力学

用激光闪光光解方法研究了杜醌(DQ)在吡啶型离子液体N-丁基吡啶四氟硼酸盐([BPy][BF₄])与乙腈(MeCN)组成的共混溶剂中的光化学反应机理与动力学. 实验结果表明, 离子液体[BPy][BF₄]对混合体系中杜醌激发三线态(³DQ^*)的瞬态吸收峰位置和吸光度大小都没有产生明显影响. 在N₂饱和条件下, 无论是在乙腈溶液中还是在[BPy][BF₄]/MeCN混合溶液中³DQ^*的衰减都遵循一级反应动力学规律. 而[BPy][BF₄]的存在对³DQ^*与三乙胺(TEA)之间的电子转移影响显著. 随着[BPy][BF₄]/MeCN 体系中离子液体比例的增加, 杜醌三线态³DQ^*与TEA间的瞬态反应机理没有改变, 但它们之间的光诱导电子转移反应速率和生成自由基的量子产额逐渐降低, 通过改变离子液体的比例可以调节该体系中光诱导电子转移反应的速率和效率.     

F19(γ, n)F18核反应的化学效应

测定氟苯、邻氟甲苯、对氟甲苯及三氟甲苯经F¹⁹(γ,n)F¹⁸核反应后的化学状态,有机保留百分值分别为39,33,39和47;在照射前加入0.2克分子分数苯胺后,保留值分别降到20,24,20和27。固体对氟苯甲酸的保留为15,3M对氟苯甲酸呲啶溶液为零。测定氟、氯、溴和碘四种卤代苯经(γ,n)核反应产生的氟-18、氯-34、溴-78和碘-126的化学状态,保留值分别为39,74,51和>51,母体保留值分别为19,41,36和>41。并用弹性碰撞理论解释有机氟化物的母体保留占总保留的百分比小于氯、溴和碘的相应化合物的原因。用氟苯及其乙醇溶液、对氟甲苯和对氟苯甲酸等化合物体系,比较F¹⁹(γ,n)F¹⁸和F¹⁹(n,2n)F¹⁸核反应的化学效应。结果说明“热”原子的过剩能量对最终的化学状态无显著的贡献。测定氯、溴、碘三种卤代苯的(n,γ)核反应产生的氯-38、溴-80、碘-128的保留值,并与(γ,n)反应产物作相应的对比,结果同样说明无显著的能量效应。测定氟硼酸钠及其水溶液的(γ,n)产物氟-18的化学状态,保留分别为88和0。用芳基氟和氟硼酸钠可制备高比度的无机氟-18离子。浓集系数的数量级分别为10³和10²。     

吡啶基酞菁Ru配合物电子结构和光谱性质计算

使用DFT和TD-DFT方法研究配合物[PcRu（RPy）（Py-COOH）]（Pc为酞菁;Py为吡啶;R分别代表COOH,CN,H,Me和OMe）以及它们的单、双电子氧化衍生物的电子结构和吸收光谱,分析表明中性配合物分子要比其氧化态更适合做染料.计算配合物在350 nm处有一个较强的Soret高能吸收带,而在600 nm的Q带吸收相对较弱.这些电子光谱被指认为酞菁环内的π→π^*跃迁和Ru→Py-COOH电荷转移.由于染料是通过轴向吡啶上的羧酸与半导体光阳极相联接,所以配合物的π→π^*跃迁对随后的电子注入没有贡献;加之该类配合物在400～580 nm可见光区无吸收,解释了该类配合物染料敏化太阳能电池光电转换效率低的原因.     

噻吩硫掺杂氮化碳促进n-π*电子跃迁增强光催化活性

光催化技术是一种绿色的化学技术,它可以利用取之不尽的太阳能来降解有毒污染物或者分解水产生氢气等.毋庸置疑,这项技术的核心是半导体光催化剂,在太阳光的照射下,半导体产生电子-空穴对,分别迁移至表面参与氧化还原反应.然而,半导体光催化剂中电子和空穴易快速复合以及其对太阳能中占主导的可见光利用率较低阻碍了其在实际中的应用.因此,解决这些问题,实现光催化技术的产业化应用,成为更多研究者关注的焦点.石墨相碳氮化物(g-C₃N₄)作为一种新型的聚合物半导体,因其来源丰富、合成简便、化学和物理性质稳定以及能带结构可调而吸引了研究人员的兴趣,但是它仍然存在上述问题.目前,提高g-C₃N₄光催化性能的方法大致有以下三种:改变形貌或进行元素掺杂以调节能带结构,与其他半导体复合构建异质结构来加速光生载流子的迁移,拓展可见光吸收范围.g-C₃N₄的光催化活性主要受自身骨架结构中的π电子传输影响,但π电子只能在波长<420 nm的高能量光下才能被激发.研究可知,设计N原子上孤对电子暴露于平面外部的氮化碳结构,在可见光激发下即可产生n-π^*电子跃迁,获得显著增强的光吸收能力,从而提升光催化活性.然而,这些研究仅关注了g-C₃N₄中N原子上孤对电子形成的n-π^*跃迁,并未研究外来材料杂原子上的孤对电子是否具有相似的作用.因此,利用合适的、含孤对电子的材料来修饰g-C₃N₄,也有可能获得类似的n-π^*电子跃迁.本工作以含芳香环结构的噻吩基丙二酸(ThA)与尿素作为前驱体,通过热聚合方法合成了具有高效n-π^*电子跃迁的CN-ThAx材料,并在可见光条件下,通过降解双酚A以及分解水实验测试其光催化性能.采用漫反射光谱(DRS)、光致发光光谱(PL)、理论计算、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)等表征手段分析了催化剂的光学性质、微观形貌和结构特征.通过DRS、PL和理论计算分析可知,n-π^*电子跃迁可提升CN-ThAx在450-550 nm区域的光学吸收,增强材料对可见光利用效率.SEM和TEM结果显示,ThA修饰并未改变g-C₃N₄的形貌,结合XPS结果可知,n-π^*电子跃迁不是由g-C₃N₄中N原子的孤对电子引起的,而是由ThA中S元素的孤对电子引起的.光催化性能测试结果也表明,ThA修饰后的CN-ThAx在可见光下具有更优的光催化性能.因此,本研究为设计具有较高可见光利用率的氮化碳材料提供了新思路.     

螺吡喃激发态的反应活性

研究了6′-硝基-1,3,3-三甲基吲(口乃木)苯骈螺吡喃,Ⅰ,和6′-硝基-1-苯基-3,3-二甲基吲(口乃木)苯骈螺吡喃,Ⅱ,的光化学,Ⅰ的直接光解和敏化光解均得到份菁结构的光解产物Ⅲ,量子产率分别是0.42和0.32.Ⅱ直接光解时生成相应的有色光解产物Ⅳ,量子产率是0.40,氮杂蒽酮为敏化剂的敏化光解量子产率是0.58,无疑地,单线态和三线态均参予螺吡喃的发色反应,用这些结果和折算关系式得到,在Ⅰ的直接光解中,Ⅲ主要来自单线态,而在Ⅱ的直接光解中,Ⅳ主要来自三线态.从Ⅰ或Ⅱ的敏化联乙酰燐光实验中求得三线态参数.它们是:φ_ISC^Ⅰ＝0.11,φ_ISC^Ⅱ＝0.48;³K_dt^Ⅰ＝3×10⁴秒^-1,³K_dt^Ⅱ＝9×10⁴秒^-1,类似地,³K_r^Ⅰ＝0.12×10⁴秒^-1,³K_r^Ⅱ＝2.52×10⁴秒^-1,这样,³φ_r^Ⅰ值较小是由于³φ_ISC^Ⅰ值较小,而三线态寿命随结构变动不大.最后,取苯乙烯为模型,用它的电子能量与乙烯双键扭曲角度关系图推断出,来自单线态的双离子具有螺环构型,而来自三线态者具有平面状构型.     

8-羟基喹啉铍及其衍生物电子光谱性质的含时密度泛函理论研究

运用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法和abinitioHF单激发组态相互作用(CIS)法分别优化了有机金属配合物8-羟基喹啉铍(BeQ₂)及其3种衍生物分子的基态及最低激发单重态几何结构.系统分析了分子结构、前线分子轨道特征和能级分布规律以探索电子跃迁机理.应用含时密度泛函理论(TD-DFT)计算分子的电子光谱,揭示了BeQ₂及其衍生物的发光源于配体中π→π^*电子跃迁,指出通过配体修饰可以有效地影响配合物前线分子轨道分布,调整发光波段,并有效提高电荷转移量.     

[Cu2Pt(npa)4X2](X=Cl-,NCS-)金属串配合物电子传输性质的研究

使用密度泛函理论(BP86)结合非平衡态格林函数(NEGF)方法研究金属串配合物[Cu₂Pt(npa)₄X₂] (X=Cl^-(1), NCS^-(2); npa=2-naphthyridylphenylamine)的电子结构和电子传输性质, 研究发现: (1)由于轴向配体NCS^-与Cu的结合比Cl^-的强, 使配合物1的Cu-Cu键比2的强而Cu-Pt键比2的弱, 故1的π^*_{Pt dxz/yz}轨道与π^*_Cu-Cu能级差ΔE比2小. (2) 1和2的传输通道均是β自旋的π^*轨道, 主要由π^*_Cu-Cu 和π^*_{Pt dxz/yz}轨道组合而成. ΔE越小π^*越离域, 传输能力越强. 在负偏压下和正偏压小于0.15 V时, 1的电流大于2; 但正偏压大于0.15 V后2的β电流显著高于1. (3) 2具有较好的整流效应. ΔE越大, Pt→Cu方向的传输越容易, 整流效应越强. 正偏压下2的电流显著大于负偏压下的电流, 0.15 V后2的整流比比1高10～40倍. (4)因ΔE_β< ΔE_α, α自旋通道传输能力小于β自旋的, 1和2具有良好的自旋过滤效应(高达80%～99%).