摘 要

自组装膜(Self-assembled monolayers，SAMs) 是在基底材料表面上修饰自组装分子的末端基团，自发形成的致密、有序、热力学稳定的单层或多层分子膜。它可以通过预先设计分子与基底材料表面的结构，利用化学控制得到理想中理化性质优异的界面。自组装膜技术在电化学催化、电化学分析研究、材料科学以及生物传感器等方面具有广阔的应用前景。

本论文以自组装技术为核心，选取咪唑季铵盐为原料，在低温强碱环境下拔氢得到N-杂环卡宾（NHC）。然后，在金电极的表面上自组装N-杂环卡宾（NHC）单分子膜，制备稳定的NHC自组装膜并构筑了NHC修饰电极。利用循环伏安法和电化学阻抗法，对金电极的自组装前后电化学行为进行对比研究。结果证实了NHC成功地自组装在金电极的表面上。用相同的方法研究了NHC自组装膜在温度和超声环境中的稳定性。

关键词：金基底、N-杂环卡宾(NHC)、自组装膜、稳定性

The Electrochemical Studies of Carbene Self-assembled

ABSTRACT

The end groups of self-assembling molecules are modified on the substrate surface and form spontaneously a dense, ordered, thermodynamically stable single or multi-molecular film which is called Self-assembled monolayers (SAMs). By the desired chemical control, we can obtain excellent physical and chemical properties of the interface that follow the structure of the self-assembling molecules and the surface of the pre-designed substrate. Self-assembled monolayer technology has broad application prospects in the electrochemical catalytic, electrochemical analysis methods, materials science, biological sensors and so on.

The self-assembling technology is the core of this paper. The quaternary ammonium salt is raw material, which can pull a hydrogen to get N- heterocyclic carbene (NHC) at low alkali environment. In order to gain stable self-assembled monolayers and build NHC modified electrode, NHC is self-assembled on the surface of the gold electrode. For NHC self-assembled monolayers, cyclic voltammetry and electrochemical impedance spectroscopy are performed to comparative research the before and after electrochemical behavior of the self-assembled gold electrode. The result indicates that NHC assemble successfully on the surface of the gold electrode. Do a study about the stability of NHC self-assembled monolayers in temperature and ultrasound environment using electrochemical detection method.

Key Words：gold substrate；N- heterocyclic carbene(NHC)； self-assembled； stability

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 自组装技术的简介 1

1.1.1 自组装技术的背景 1

1.1.2 自组装技术的定义 1

1.1.3 自组装技术的影响因素 2

1.2 自组装膜的简介 3

1.2.1 自组装膜的形成机理和结构 3

1.2.2 自组装膜的特点以及类型 4

1.2.3 自组装膜的制备方法 5

1.2.4 自组装膜的表征手段 7

1.2.5 自组装膜修饰电极的简介 8

1.3卡宾的简介 8

1.4 本论文的目的 9

第二章 实验部分 10

2.1 实验试剂 10

2.2 实验仪器 11

2.3 实验内容 11

2.3.1 裸金电极的预处理与表征 11

2.3.2 卡宾自组装膜的制备与表征 12

2.3.3 卡宾自组装膜的稳定性测试 13

第三章 结果与讨论 14

3.1 裸金电极的谱图分析 14

3.2 卡宾自组装膜的谱图分析 16

3.3 卡宾自组装膜稳定性的谱图分析 18

第四章 结论 22

参考文献 23

致谢 25

第一章 绪论

1.1 自组装技术的简介

1.1.1 自组装技术的背景

作为一项新兴的技术，自组装技术发展的时间不是很长。由于其研究还未成熟，对于多数人来说，难以感到这项技术将对社会发展产生的巨大推动力。自组装技术不须要特殊的装置，通常是以水为溶剂，具有结构分子级控制的优点。可制备膜层间二维和三维的比较有序的结构，以实现膜的电、磁等功能，也可以模拟生物膜。因此，近年来利用自组装技术构筑具有一定规则几何外观的、稳定的微结构受到了越来越多人的关注^[1]。

通过自组装技术可以解决现在面临的许多问题。例如：在医学方面，利用自组装技术制备单分子膜、囊泡以及微管等，这对于临床医学的治疗和诊断有着重要的作用。在物理化学方面，利用自组装技术可以对材料表面进行修饰而获得磁、电等新的性能材料，还可以制造出分子存储器、分子导线等小型器件。总的看来，自组装的应用研究，在朝着实用方面发展并已经取得一定的研究成果。而且自组装技术作为物理化学、材料科学等的交叉学科，将在光电、人体组织等材料科学方面发挥着重要的作用。

1.1.2 自组装技术的定义

所谓自组装(self-assembly，简称SA），开始是因为基底上带正、负电荷的分子交替吸附的原理的一种制膜技术，现指自发形成有序结构的基本结构单元(分子，微米，纳米材料或更大尺寸的物质）的一种制膜技术。其成膜驱动力有阴阳离子相互吸附作用、静电相互作用或称库仑力、π-π堆积作用、疏水作用等弱的相互作用力，所以选用成膜的物质有阴、阳离子的聚电解质，或水溶性高分子，在溶液中成膜，即为自组装单分子膜（self-Assembled monolayers， SAMs）。

在自组装^[2]过程中，自组装分子由于弱的非共价键相互作用，自发的形成一个具有一定几何外观的、稳定的微观结构。发生自组装的重点是弱非共价键的相互作用力之间复杂的协同作用，这是用来保护自组装体系的稳定性和完整性。自组装的发生需要有两个因素，既是发生自组装的动力与其的导向作用。一是为自组装体系提供能量，具体是指自组装分子弱相互作用力的协同作用，这就是自组装的动力。二是使自组装分子在空间上可以重排，具体是指自组装分子弱相互作用力的空间互补性，也就是自组装的导向作用。

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