非傳統(tǒng)有機(jī)光致發(fā)光材料在近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)有機(jī)發(fā)光材料不同,非傳統(tǒng)有機(jī)光致發(fā)光材料結(jié)構(gòu)中沒(méi)有苯環(huán)或雜環(huán)等大共軛結(jié)構(gòu)的典型生色團(tuán),而僅含一些富電子原子(如N、O、S、P等)和羰基、羥基、酯基、酰胺等官能團(tuán)。這些非典型生色團(tuán)通過(guò)空間共軛作用(Through-space conjugation, TSC)使能級(jí)分裂,能隙降低,從而促進(jìn)電子躍遷,產(chǎn)生熒光或磷光發(fā)射。
聚乙烯(PE)和聚丙烯(PP)是目前生產(chǎn)量最大且應(yīng)用最廣泛的塑料,但其結(jié)構(gòu)中不含有任何典型或非典型熒光生色團(tuán)。因此,PE和PP從未被考慮用作制備熒光聚合物的材料。是否可以通過(guò)簡(jiǎn)單的后處理方法使PE和PP轉(zhuǎn)化為熒光聚合物?基于對(duì)該問(wèn)題的思考,北師大汪輝亮課題組提出了通過(guò)熱氧化將PE和PP轉(zhuǎn)變?yōu)榉莻鹘y(tǒng)熒光聚合物的方法(Transforming polyethylene and polypropylene into nontraditional fluorescent polymers by thermal oxidation, J. Mater. Chem., 2022, DOI: 10.1039/D1TC05520H)。
他們發(fā)現(xiàn)將PE或PP在空氣中在不同溫度下加熱不同時(shí)間,即可得到具有強(qiáng)熒光發(fā)射的非傳統(tǒng)熒光聚合物。PE或PP熱氧化產(chǎn)物的最大激發(fā)波長(zhǎng)和最大發(fā)射波長(zhǎng)一般先隨加熱溫度和時(shí)間的增加而增加,然后降低(圖1)。其最大發(fā)射波長(zhǎng)分別可達(dá)560 nm和600 nm。
圖1 (a,c)PE在空氣中在不同溫度加熱120分鐘(a)和在280°C加熱不同時(shí)間(b)的歸一化熒光光譜,(b,d)及其相應(yīng)的最佳激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)。(e,g)PP在空氣中在不同溫度加熱30分鐘(e)和在280°C加熱不同時(shí)間(g)的歸一化熒光光譜,(f,h)及其相應(yīng)的最佳激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)。
PE和PP氧化產(chǎn)物的熒光發(fā)射還表現(xiàn)出明顯的激發(fā)波長(zhǎng)依賴特性(Excitation-dependent fluorescence, EDF)(圖2)。在不同波長(zhǎng)的光照射下,可以發(fā)射從綠色到紅色的熒光。
圖2 PE和PP通過(guò)熱氧化法轉(zhuǎn)化為非典型熒光聚合物并且表現(xiàn)出激發(fā)波長(zhǎng)依賴性。
通過(guò)紅外和X射線光電子能譜圖(XPS)表征證實(shí)在PE和PP氧化產(chǎn)物中生成了-OH和多種C=O含氧官能團(tuán)。這些含氧官能團(tuán)之間的相互作用是PE和PP氧化產(chǎn)物產(chǎn)生熒光的根本原因(圖3)。含氧官能團(tuán)生成的量與加熱溫度和時(shí)間密切相關(guān),從而對(duì)熒光行為造成影響。
圖3 PE和PP氧化產(chǎn)物產(chǎn)生發(fā)射熒光的機(jī)理示意圖。
通過(guò)火焰灼燒可以使PE和PP表面快速氧化,僅幾秒就能夠產(chǎn)生熒光。對(duì)PE(PP)的表面進(jìn)行局部熱氧化處理,可以形成具有熒光發(fā)射的文字或圖案,有望應(yīng)用于防偽領(lǐng)域(圖4)。
圖4 PE和PP生成熒光圖案的過(guò)程及365 nm紫外燈下PE和PP片經(jīng)燃燒前后的照片。
本工作首次證實(shí)通過(guò)熱氧化法在不含任何生色團(tuán)的高分子材料中引入含氧官能團(tuán)可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)榉莻鹘y(tǒng)熒光聚合物。這項(xiàng)工作對(duì)于理解熒光的起源具有重要的科學(xué)意義,并將對(duì)熒光材料的發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)生重要影響。基于對(duì)氧化產(chǎn)物熒光機(jī)理的理解,他們認(rèn)為許多其他聚合物也可以通過(guò)熱氧化法或其他氧化方法轉(zhuǎn)化為NLPs。此外,除氧之外的其他富電子元素也可以通過(guò)不同氣體氣氛中的熱處理引入到聚合物中以實(shí)現(xiàn)熒光發(fā)射。該方法操作簡(jiǎn)便、成本低廉、條件溫和且可大規(guī)模生成,對(duì)于非傳統(tǒng)熒光聚合物的實(shí)際應(yīng)用具有重要的價(jià)值。
該工作的第一作者為北京師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院博士生趙雅馨,通訊作者為汪輝亮教授。該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委的資助(21574015)。
論文鏈接:
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/tc/d1tc05520h
DOI:10.1039/d1tc05520h
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