共价有机框架膜及其制备方法和用途技术

多层结构，其包括与多芳香碳（PAC）膜接触的共价有机框架（COF）膜。所述多层结构可以通过在存在PAC膜的条件下组合前体化合物来制备。所述PAC膜可以是，例如，单层石墨烯膜。所述多层结构可以用于不同应用中，如太阳能电池、柔性显示器、照明设备、无线射频识别（RFID）标签、传感器、感光体、电池、电容器、气体存储设备、和气体分离设备。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术主要涉及共价有机框架膜、所述膜的制备方法、以及所述膜的用途。
技术介绍
共价有机框架(COF)是一类新兴材料，其可预测地组织和排列有机半导体。COF使用可逆的共价键形成反应，从而将分子构筑块连接成周期性的二维(2-D)或三维网络。2-D变体结晶成含有层叠的芳香亚基的层状结构，其对于夹层激发子和电荷传输是很理想的。2-D COF表现出若干理想的和独特的特征。其连接基团的长度和相对方向确定了晶格结构，相比之下传统有机半导体的充填则不可预知。此外，其恒定的孔隙率为附加的功能化提供了 一个连续的、高表面积的界面。COF是一类高度多孔的纯有机晶体材料，其通过，例如硼酸与多元醇之间的共价键聚集在一起。COF能够表现出高度的热稳定性，其孔的尺寸能够被精确调整。这些性质使其成为用于气体贮存、分离和催化的很有潜力的候选物。某些COF最令人兴奋的特征之一就是由π -堆积芳香构筑块组成的框架，其形成了具有电子偶联“墙”的多孔网络。这一性质最近启发研究人员创造出第一个具有芘(由四个稠合的苯环组成的平面烃)构筑块的半导体和光电导C0F。然而，目前使用的COF的一个重大问题是缺乏对其纳米级形态学和方向的控制。结果，通常在供体和受体之间形成了非结构化的随机界面。含有酞菁(大的平面大环)和金属酞菁的COF已被报道，基于镍-酞菁的组合COF是首个表现出高载电荷流动性的结晶多孔框架。然而，所有这些系统均由不溶性的松散粉末合成，未对多孔系统的方向进行控制，使其难于或不可能将该材料加入设备或甚至精确地测定其电子性质。其结果是，不可能在功能性设备如光伏电池或化学传感器中使用C0F。COF是对有机电子领域具有潜在革命性的材料。COF为组织有机半导体进入用于高效电荷传输的结构提供了一种新方法。与传统有机聚合物相比，目前局限COF的第二个问题是其合成所需的反应时间是3至5天。因此，基于现有COF技术的电子设备(太阳能电池、晶体管、发光二极管、RFID标签、电池、超级电容器等)将可能因过于昂贵而缺乏竞争力。 专利技术概述本专利技术提供了一种多层结构，包括与多环芳香碳(PAC)层接触的共价有机框架(COF)层。所述COF层可以具有一种或多种堆积2-D C0F。所述与COF层接触的PAC层可以在基片上，以使得所述PAC层在所述COF层与所述基片之间。本专利技术还提供了一种制备此类结构的方法以及此类结构的用途。本专利技术是基于一个惊人的观察结果，即二维(2-D) COF层能够，例如在可操作地简单溶剂热条件下在单层石墨烯(SLG)上形成。2-D COF正常堆积在SLG表面，并且与COF粉末相比显示出改善的结晶性。据我们所知，本专利技术提供的COF层与此前已在科学文献中报道的任何COF样品相比均更为有序。 附图简述附图说明图1。在单层石墨烯(SLG)上制备共价有机框架5 (C0F-5)的方法的示例。图2。(A)从示例C0F-5粉末获得的X-射线衍射数据；如图(A)所示的在粉末中随机方向的C0F-5颗粒的示意图。(B) SLG/Cu上的C0F-5膜的GID数据；如图(B)所示的在膜中定向的C0F-5颗粒的示意图。(C) (A)(上部)和(B)(中部)的投射接近于Q±=0，以及C0F-5的模拟粉末衍射光谱(下部)。(D)在最大QI处获得的GID数据显示了 C0F-5膜(001)布拉格峰的偏离镜面投射。(E)在(B)、(C)、和(D)中研究的C0F-5膜自上而下的扫描电镜(SEM)图像。图3。(A)在SLG/Cu上的示例C0F-5膜(生长30分钟，厚度195±20_nm)的横截面SEM图像和(B)膜的GID0 (C)在SLG/Si02上的C0F-5膜(生长2小时，厚度94±5_nm)的横截面和(D)膜的GID。(E)在SLG/SiC上的C0F-5膜(生长8小时，厚度73±3_nm)的横截面和(F)膜的GID。图4。扩增的ZnPc COF的示例。每个COF均形成2维层叠的网络，其含有通过(由左至右)芘、二苯基丁二炔、萘基二酰亚胺、和苯基双(苯基乙炔基)单元连接的锌酞菁。图5。COF 的 PXRD 图像的示例。实验对比预测，(a) ZnPC-Py COF、(b) ZnPc-DPBCOF, (c) ZnPc-NDI COF 和(d) ZnPc-PPE COF 的 PXRD 图像。标记了标引衍射峰。图6。定向 COF 膜 GID 图像的示例。ZnPc-Py COF (a, b) ；ZnPc-NDI COF (c，d);ZnPc-PPE COF (e，f)的切线入射X-射线衍射图像和横截面。将各(100)峰的最大强度归一化至100个计数。图7。示例ZnPc-DPB COF膜改进的结晶度和对齐。示例ZnPc-DPB COF的切线入射X-射线衍射图像(a)和横截面SEM (b)。将(100)布拉格峰的强度归一化至与图6中相同的比例。Qi示例ZnPc-DPB COF (c)的(001)布拉格峰偏离镜面投射的强度是平直的，表明几乎为零嵌合体，而示例ZnPc-Py COF (d)表示其他COF膜，其显示不太理想的垂直对齐的散射弧(见箭头)。图8。合成的2-D ZnPc共价有机框架的示例。图9。(A) TP-COF的化学结构，(B)在SLG/Si02上的示例TP-COF膜的GID，以及(C)膜的透射UV/可见光谱和发射光谱(Aexc=352nm)。a.u.，任意单位。(D)NiPc-PBBACOF的化学结构，(E)在SLG/Si02上的示例NiPc-PBBA COF膜的GID，以及(F)膜的透射UV/可见/NIR光谱。图10。C0F-5的形成的示例，其作为反应时间的函数，存在含SLG的基片。在存在和不存在含SLG基片的情况下，C0F-5的形成与此前报道的相比需要的反应时间更短。PXRD数据显示，在存在SLG/Si02的情况下作为时间的函数C0F-5的结晶度的演变。C0F-5的衍射甚至出现在最早的反应时间，通过这些数据还显示了显著的残余初始原料。在存在SLG/Cu的情况下，通过不同反应时间合成的示例C0F-5粉末的PXRD图像。a) 15分钟，b) 30分钟，c) 60分钟，d) 120分钟，e) 4小时，f) 6小时。图11。基于与图2D所示相同的扫描，在不同基片上生长的三种C0F-5膜的(001)布拉格峰的方位角的强度分布。图12。在SLG/Cu上示例C0F-5膜的自上而下的SEM图像(生长时间:30分钟)。图13。在SLG/Cu上生长的示例C0F-5膜的横截面SEM图像(生长时间:30分钟)。将测量值乘以1.26得到膜厚度。自上而下，各层依次为Pt、C0F-5膜、Cu、Si02、和Si。图14。在SLG/Cu上示例C0F-5膜的自上而下的SEM图像(生长时间:2小时)。铣削(milling)前将Pt棒(I μ m χΙΟ μ m)沉积在膜顶层。图15。在SLG/Cu上生长的示例C0F-5膜的横截面SEM图像(生长时间:2小时)。将测量值乘以1.26得到膜厚度。自上而下，各层依次为Pt、C0F-5膜、Cu、和Si02。图16。在SLG/Si02上生长的示例C0F-5膜的自上而下的SEM图像(生长时间:2小时)。图17。在SLG/Si02上生长的示例C0F-5膜的横截面SEM图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：W·R·迪希特尔，J·帕克，A·慕克吉，M·P·利文多夫，A·沃尔，E·斯比特勒，J·科尔森，
申请(专利权)人：康奈尔大学，
类型：
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