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卟啉是与生命体系密切相关的共轭功能染料分子,在光合作用、酶催化和氧气传输过程中发挥着重要作用。同时卟啉的许多功能与组装体的结构密切相关,因此研究分子结构与组装体结构、性能之间的关系并且实现组装体结构和性能的调控是一个重要的科学命题。本文利用表面活性剂辅助组装的方法研究了各种组装条件如分子结构、表面活性剂类型、浓度等对组装体结构的影响,并且通过模拟植物光合作用的天线系统研究了不同组装体的催化和光电性能。
1)在表面活性剂的辅助下,通过加入不同体积的卟啉溶液制备了长度可调的卟啉纳米线,并根据实验结果提出了相关的组装机理。通过研究不同熟化时间所产生的卟啉纳米球和纳米线对有机污染物罗丹明B(RhB)的降解活性,发现纳米线对RhB有明显的催化效果,而纳米球则不能表现出明显的催化能力。对其结构进行详细表征发现在纳米球中卟啉通过与表面活性剂分子形成复合物,以单体形式存在,分子间没有明显的相互作用,不利于电子转移的发生。而在纳米线中,卟啉以J-聚集体存在,分子之间具有较强的激子耦合作用,有利于分子间的电子转移。正是这种不同的分子排列方式导致了形貌依赖的光催化性能。这为研究纳米材料的构效关系和聚集体内电子和能量转移提供了一个理想平台。
2)通过研究具有相同取代基和不同中心金属的卟啉衍生物在不同表面活性剂的水溶液中的超分子组装结果,探讨了卟啉分子结构对组装体结构和性能的影响。实验结果表明在相同的表面活性剂中四吡啶基卟啉(H2TPyP),四吡啶基锌卟啉(ZnTPyP)和四吡啶基钛氧卟啉(TiOTPyP)分别形成了不同的纳米结构,这说明分子结构的微小不同可以导致组装体结构的较大差别。
3)利用氧化石墨烯(GO)作为二维表面活性剂,在油/水、水/水体系中可控合成了具有规则内部结构的一维卟啉纳米材料。与利用传统表面活性剂制备出的纳米材料相比,由此方法制备的卟啉纳米结构具有较好的光催化性能。研究表明这是GO能够促进体系内的电子/空穴的分离、抑制电子/空穴的复合并且能够增强对染料的吸附导致的。