两性离子配体保护的银、铜纳米团簇的合成、结构及性能研究

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有机配体(如炔基、巯基和膦等)保护的币金属纳米团簇作为一类新型的纳米材料,已经得到了广泛的研究。团簇的量子尺寸效应,使其表现出与本体材料显著不同的物理和化学性质,其中光致发光是d10金属纳米团簇最吸引人的特性之一,已被应用于传感、生物医学等领域。在原子水平上控制纳米材料的合成和结构是探索其实际应用的基础,配体工程是调控纳米团簇结构的有效策略之一,有一类两性离子配体已经广泛用于金属纳米团簇的合成,该配体同时具有阳离子和阴离子两种基团,在分子内具有电偶极矩,形成的电荷层可以有效钝化金属纳米团簇的表面,对团簇的自组装过程有着重要的影响。此外有实验研究表明,当大位阻的配体构筑金属纳米团簇时,会导致纳米团簇中表面某些金属原子的不饱和配位,而小位阻的配体可以作为辅助配体占据这些表面原子的空位进而稳定金属纳米团簇,引入小位阻配体(如-Cl、-Br、-I或-SCN)制备结构多样的金属纳米团簇是可行的。本论文中我们采用大位阻的两性离子配体和不同种类的卤素阴离子共同构筑了多例银、铜纳米团簇。基于此,我们的工作分为以下两部分:一、通过一锅还原法成功制备出3例由大位阻的两性离子配体NaL-Br(NaL·Br=NaS(CH2)3(C6H5)3PBr)和卤素阴离子共同保护的铜纳米团簇:[Cu14L6Br12Cl2](1)、[Cu16.5L6Br16.5]n(2)和[Cu15L6Br2I12S](3),并利用单晶X-射线衍射分析和X-射线能量色散谱(EDS)解析了铜纳米团簇的结构和组成。化合物1-3均具有“Cu3-Cu6-Cu3”三层平行排列结构,有趣的是,化合物2是在空间里采取不同方向延伸的两条一维簇基链状结构,并采取不同单体Cu14L6Br14(Ⅰ)和Cu16L6Br16(Ⅱ)作为基本单元。化合物1-3表现出肉眼可见的变温荧光现象,我们测试了三种化合物的变温荧光发射光谱:室温下发射位置 1:λem=619nm,2:λem=567 nm,3:λem=576 nm,80 K下发射位置 1:λem=608 nm,2:λem=546 nm,3:λem=536 nm。该工作为大位阻的有机配体制备金属纳米团簇提供了借鉴,也表明卤素阴离子对金属纳米团簇的构筑是至关重要的。二、利用有机配体NaL·Br和不同种类的银盐反应,通过优化实验条件(如:引入双膦配体和置换阴离子)调控金属纳米团簇的自组装过程,成功制备出一系列银纳米团簇:[Ag18L12Br12]Br6(4)、[Ag33L20Br18](Ph4B)4(5)和[Ag23L12(CF3CO2)15](SbF6)4(6)。利用单晶X-射线衍射分析手段成功解析了化合物4-6的精确结构,化合物4是由五层相互平行闭合的六元环连接构成柱状结构;化合物5具有完美的“双金字塔”Ag11内核,被Ag12S12Br8外壳保护,上下两端各连接一个扭曲的四面体Ag6S4Br4形成“S型”整体结构;化合物6的金属框架可以看成是扭曲的截角四面体结构。化合物4无光致发光现象;化合物5在固体状态下具有亮红色的光致发光现象(λem=681 nm),具有微秒级别的寿命(τ=36.51μs)和较大的斯托克斯位移(Δ≈182 nm),属于三重态磷光发射;化合物6在室温下几乎观察不到发光现象,在80 K下表现出红色的光致发光现象(λem=670 nm)。
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