journal article·2019-06-26Open access

Noncovalent Functionalization of 2D Black Phosphorus with Fluorescent Boronic Derivatives of Pyrene for Probing and Modulating the Interaction with Molecular Oxygen

Margherita Bolognesi, Salvatore Moschetto, Mariachiara Trapani, Federico Prescimone, Claudia Ferroni, Gabriele Manca, Andrea Ienco, Silvia Borsacchi, Maria Caporali, Michele Muccini, Maurizio Peruzzini, Manuel Serrano-Ruiz, Lucia Calucci, Maria Angela Castriciano, Stefano Toffanin

ACS Applied Materials & Interfaces· Volume 11· Issue 25

Abstract

We studied the chemical-physical nature of interactions involved in the formation of adducts of two-dimensional black phosphorus (2D BP) with organoboron derivatives of a conjugated fluorescent molecule (pyrene). Time-resolved fluorescence spectroscopy showed a stabilization effect of 2D BP on all derivatives, in particular for the adducts endowed with the boronic functionalities. Also, a stronger modulation of the fluorescence decay with oxygen was registered for one of the adducts compared to the corresponding organoboron derivative alone. Nuclear magnetic resonance experiments in suspension and density functional theory simulations confirmed that only noncovalent interactions were involved in the formation of the adducts. The energetic gain in their formation arises from the interaction of P atoms with both C atoms of the pyrene core and the B atom of the boronic functionalities, with a stronger contribution from the ester with respect to the acid one. The interaction results in the lowering of the band gap of 2D BP by around 0.10 eV. Furthermore, we demonstrated through Raman spectroscopy an increased stability toward oxidation in air of 2D BP in the adducts in the solid state (more than 6 months). The modification of the electronic structure at the interface between 2D BP and a conjugated organic molecule through noncovalent stabilizing interactions mediated by the B atom is particularly appealing in view of creating heterojunctions for optoelectronic, photonic, and chemical sensing applications.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: 2D Materials and Applications · MXene and MAX Phase Materials · Advanced Photocatalysis Techniques

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN)—Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Via P. Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy

Istituto per lo Studio dei Materiali Nanostrutturati (ISMN)—Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), c/o Dipartimento di Scienze Chimiche, Biologiche, Farmaceutiche e Ambientali, University of Messina, V.le F. Stagno d’Alcontres 31, 98166 Messina, Italy

Istituto per la Sintesi Organica e la Fotoreattività (ISOF)—Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Via P. Gobetti 101, 40129 Bologna, Italy

Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM)—Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Via Madonna del Piano 10, 50019 Sesto Fiorentino, Florence, Italy

Istituto di Chimica dei Composti Organometallici (ICCOM)—Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), via G. Moruzzi 1, 56124 Pisa, Italy

Funding

Consiglio Nazionale delle Ricerche · H2020 European Research Council

References (69)

Show source-provided references
1. 10.1126/science.110289610.1126/science.1102896 ↗
2. 10.1002/ejic.20180121910.1002/ejic.201801219 ↗
3. 10.1021/nn501226z10.1021/nn501226z ↗
4. 10.1002/adma.20180029510.1002/adma.201800295 ↗
5. 10.1088/2053-1583/2/1/01100210.1088/2053-1583/2/1/011002 ↗
6. 10.1021/acs.chemmater.7b0529810.1021/acs.chemmater.7b05298 ↗
7. 10.1039/c7cc05906j10.1039/c7cc05906j ↗
8. 10.1021/acs.jpcc.7b0667810.1021/acs.jpcc.7b06678 ↗
9. 10.1021/acs.jpclett.5b0192010.1021/acs.jpclett.5b01920 ↗
10. 10.1088/0957-4484/26/9/09520110.1088/0957-4484/26/9/095201 ↗
11. 10.1038/nchem.250510.1038/nchem.2505 ↗
12. 10.1002/smll.20170273910.1002/smll.201702739 ↗
13. 10.1038/s41467-018-06437-110.1038/s41467-018-06437-1 ↗
14. 10.1002/anie.20170572210.1002/anie.201705722 ↗
15. 10.1039/c7nr06085h10.1039/c7nr06085h ↗
16. 10.1002/anie.20171267510.1002/anie.201712675 ↗
17. 10.1002/anie.20160478410.1002/anie.201604784 ↗
18. 10.1039/c8ra09069f10.1039/c8ra09069f ↗
19. 10.1038/s41699-017-0004-810.1038/s41699-017-0004-8 ↗
20. 10.1021/acsnano.6b0109110.1021/acsnano.6b01091 ↗
21. 10.1109/led.2016.253590510.1109/led.2016.2535905 ↗
22. 10.1088/1361-6528/aabd8d10.1088/1361-6528/aabd8d ↗
23. 10.1002/adma.20160228010.1002/adma.201602280 ↗
24. 10.1021/cr100428a10.1021/cr100428a ↗
25. 10.1016/j.carbon.2013.05.01510.1016/j.carbon.2013.05.015 ↗
26. 10.1016/0009-2614(77)87009-710.1016/0009-2614(77)87009-7 ↗
27. van Bünau G. · 1970
28. Murov S. L. · 1993
29. 10.1021/ja00449a00410.1021/ja00449a004 ↗
30. 10.1021/jp073149710.1021/jp0731497 ↗
31. 10.1021/cr00018a00110.1021/cr00018a001 ↗
32. 10.1021/ic062192q10.1021/ic062192q ↗
33. 10.1002/anie.20170288910.1002/anie.201702889 ↗
34. 10.1002/admi.20150044110.1002/admi.201500441 ↗
35. 10.1103/physrevlett.77.386510.1103/physrevlett.77.3865 ↗
36. 10.1063/1.338234410.1063/1.3382344 ↗
37. Dovesi, R.; Saunders, V. R.; Roetti, C.; Orlando, R.; Zicovich-Wilson, C. M.; Pascale, F.; Civalleri, B.; Doll, K.; Harrison, N. M.; Bush, I. J.; D’Arco, P.; Llunell, M.; Causà, M.; Noël, Y.; Maschio, L.; Erba, A.; Rerat, M.; Casassa, S. CRYSTAL17 User’s Manual; University of Torino: Torino, 2017.
38. 10.1002/jcc.2315310.1002/jcc.23153 ↗
39. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Li, X.; Caricato, M.; Marenich, A. V.; Bloino, J.; Janesko, B. G.; Gomperts, R.; Mennucci, B.; Hratchian, H. P.; Ortiz, J. V.; Izmaylov, A. F.; Sonnenberg, J. L.; Williams-Young, D.; Ding, F.; Lipparini, F.; Egidi, F.; Goings, J.; Peng, B.; Petrone, A.; Henderson, T.; Ranasinghe, D.; Zakrzewski, V. G.; Gao, J.; Rega, N.; Zheng, G.; Liang, W.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Throssell, K.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M. J.; Heyd, J. J.; Brothers, E. N.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Keith, T. A.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A. P.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Millam, J. M.; Klene, M.; Adamo, C.; Cammi, R.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Farkas, O.; Foresman, J. B.; Fox, D. J. Gaussian 16, Revision B.01; Gaussian, Inc.: Wallingford CT, 2016.
40. 10.1039/c8dt03628d10.1039/c8dt03628d ↗
41. 10.1039/c7dt04034b10.1039/c7dt04034b ↗
42. 10.1088/2053-1583/3/3/03502510.1088/2053-1583/3/3/035025 ↗
43. 10.1002/pssb.20170023210.1002/pssb.201700232 ↗
44. 10.1016/j.apcatb.2017.09.01010.1016/j.apcatb.2017.09.010 ↗
45. 10.1021/jacs.7b0841610.1021/jacs.7b08416 ↗
46. 10.1021/acsnano.8b0374010.1021/acsnano.8b03740 ↗
47. 10.1021/jp101416k10.1021/jp101416k ↗
48. 10.1039/c6cc03248f10.1039/c6cc03248f ↗
49. 10.1039/c8sc01709c10.1039/c8sc01709c ↗
50. 10.1021/acsami.5b0860010.1021/acsami.5b08600 ↗
51. 10.1002/chem.20160046510.1002/chem.201600465 ↗
52. 10.1021/ja306363v10.1021/ja306363v ↗
53. 10.3390/polym1010106210.3390/polym10101062 ↗
54. 10.1039/c6cc06075g10.1039/c6cc06075g ↗
55. 10.1002/smll.20180194210.1002/smll.201801942 ↗
56. 10.1021/ac010379n10.1021/ac010379n ↗
57. 10.1016/s0009-3084(02)00020-810.1016/s0009-3084(02)00020-8 ↗
58. 10.1021/acsomega.8b0296110.1021/acsomega.8b02961 ↗
59. 10.1021/ol303476g10.1021/ol303476g ↗
60. 10.1039/c7tc04697a10.1039/c7tc04697a ↗
61. 10.1039/c0cc02163f10.1039/c0cc02163f ↗
62. 10.1002/adma.20160116710.1002/adma.201601167 ↗
63. 10.1021/acs.chemmater.7b0135310.1021/acs.chemmater.7b01353 ↗
64. 10.1021/acs.chemmater.8b0498410.1021/acs.chemmater.8b04984 ↗
65. 10.1016/0038-1098(85)90213-310.1016/0038-1098(85)90213-3 ↗
66. 10.1021/jacs.7b0497110.1021/jacs.7b04971 ↗
67. 10.1021/jacs.8b0215610.1021/jacs.8b02156 ↗
68. 10.1002/adfm.20180347110.1002/adfm.201803471 ↗
69. Ponti, G.; Palombi, F.; Abate, D.; Ambrosino, F.; Aprea, G.; Bastianelli, T.; Beone, F.; Bertini, R.; Bracco, G.; Caporicci, M.; Calosso, B.; Chinnici, M.; Colavincenzo, A.; Cucurullo, A.; Dangelo, P.; De Rosa, M.; De Michele, P.; Funel, A.; Furini, G.; Giammattei, D.; Giusepponi, S.; Guadagni, R.; Guarnieri, G.; Italiano, A.; Magagnino, S.; Mariano, A.; Mencuccini, G.; Mercuri, C.; Migliori, S.; Ornelli, P.; Pecoraro, S.; Perozziello, A.; Pierattini, S.; Podda, S.; Poggi, F.; Quintiliani, A.; Rocchi, A.; Sciò, C.; Simoni, F.; Vita, A. Proceedings of the 2014 International Conference on High Performance Computing and Simulation in The Role of Medium Size Facilities in the HPC Ecosystem: The Case of the New CRESCO4 Cluster Integrated in the ENEAGRID Infrastructure, 2014; pp 1030–1033.10.1109/HPCSim.2014.6903807 ↗