[发明专利]卟啉-氮掺杂还原氧化石墨烯非线性光学材料及其制备方法

说明书

本发明属于强激光防护材料领域，公开了一类环丙环化反应通过亲核加成机理制备的卟啉共价功能化的氮掺杂还原氧化石墨烯纳米杂化非线性吸收光学功能材料，该纳米材料具有较好的非线性吸收性能。本发明通过采用环丙环化反应将卟啉共价修饰在氮掺杂还原氧化石墨烯表面，制备的有机‑无机纳米杂化光敏功能材料集卟啉与氮掺杂还原氧化石墨烯两者的特性于一体，同时利用组分间的协同效应使杂化材料具有比其单一材料更加优良的非线性光学性能，并且改善了石墨烯在极性有机溶剂中的溶解性和分散稳定性，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于强激光防护材料领域，涉及一类环丙烷化反应制备的卟啉共价功能化的氮掺杂还原氧化石墨烯纳米杂化非线性吸收光学功能材料。

背景技术

自1960年激光问世以来,已广泛应用于科研、工业、医疗及军事等诸多领域。但是激光在极大地推动社会进步的同时也给操作现场的人眼及光电装置带来了潜在的威胁。由此人们对激光防护材料产生了广泛的研究兴趣。其中尤以基于非线性光学效应的光限幅材料最为引人注目。非线性光学材料具有良好的光限幅性能,能够减弱强的激光射线。当激光穿过光限幅材料时保证低强度的激光射线有高的通过率,而对于高强度的激光射线保证低的通过率。

近年来对非线性材料的研究主要涉及到材料的设计、分子制备和结构优化,以期得到具有较好非线性(光限幅)响应的光敏功能材料。然而,真正可以用于实际应用的非线性材料却很少,因此开发具有较好非线性光学性能的光敏功能材料是目前国际上的研究热点之一。卟啉、石墨烯由于其独特的性质引起了人们的关注。

石墨烯具有广泛的π电子骨架以及丰富的π电子，这种π轨道的相互堆积作用使得石墨烯管具有很好的热学，力学，电学性能以及非线性光学性能。进一步对石墨烯进行改性可以有效调变其结构和性能，实现更为丰富的化学功能和广阔的应用。例如，在石墨烯晶格中引入氮原子后，N原子由于具有与C原子近似的原子半径,可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂,且生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能。但是氮掺杂石墨烯和石墨烯一样不易加工，且在有机溶剂中的溶解性较差，这极大的限制了氮掺杂石墨烯在非线性光学领域中的应用。

卟啉分子具有以下几个特点：(1)特殊的二维共轭大环π电子结构；(2)对光、热具有较高的稳定性；(3)配位能力很强，几乎可以与元素周期表中所有的金属离子发生配位，形成配合物；(4)很高的摩尔消光系数。(5)卟啉及其衍生物结构多样、易于修饰。研究者可以根据需要通过改变其周围官能团或中心离子调整其荧光发射波长，进而实现各种光电功能材料的制备和应用。

为了获得优异的非线性光学吸收功能材料，必须克服上述不足，通过选用合适的有机材料对氮掺杂石墨烯进行化学修饰，从而提高氮掺杂石墨烯在不同溶剂中的溶解性和分散稳定性，同时改善材料的非线性光学性能。于是研究人员不断研究探索，尝试设计制备具有较好溶解性和优良非线性吸收性能的卟啉共价功能化的氮掺杂石墨烯纳米杂化光敏功能材料。

发明内容

本发明的目的在于通过对石墨烯表面进行化学掺杂和有效地结合卟啉功能材料,不仅改变材料溶解性，而且材料的非线性光学性能有所改善。于是本发明通过简便的化学合成方法制备卟啉共价功能化的氮掺杂还原氧化石墨烯纳米杂化非线性吸收光学功能材料。本发明中所用石墨烯由氧化石墨烯还原掺氮制备而得，称为氮掺杂还原氧化石墨烯，还原过程可以消除氧化石墨烯的官能团或缺陷，掺氮过程可以作为电子供体以取代的方式对石墨烯进行掺杂,且生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能。

卟啉共价功能化的氮掺杂还原氧化石墨烯纳米杂化非线性吸收光学功能材料，该有机-无机纳米杂化共价功能材料是由卟啉和氮掺杂还原氧化石墨烯组成的，所述卟啉以共价键修饰在氮掺杂还原氧化石墨烯表面；得到卟啉共价功能化的氮掺杂还原氧化石墨烯纳米杂化非线性吸收光学功能材料结构为NG-TPP：

所述的卟啉-氮掺杂还原氧化石墨烯非线性光学材料的制备方法，包括如下步骤：