双模板自组装法可控制备二维介孔导电聚合物

石墨烯的出现使二维超薄材料的研究得以迅速发展。开发新型的类石墨烯结构的二维超薄材料也成为当前的研究热点。目前,通过机械或者电化学剥离、气相沉积以及界面导向技术,人们已经成功制备出一系列超薄二维材料。而在超薄二维材料的内部构造介孔结构,可赋予二维材料更大的比表面和相互贯通的网络结构。此外,纳米尺度的二维多孔阵列,也能赋予超薄二维材料在能源、催化等领域的新应用。然而,迄今为止,构筑具有规则且可控介孔结构的超薄二维材料仍面临巨大挑战。

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超分子自组装的发展,为精确制备具有可控结构的纳米材料提供了简单且有力的方法。德累斯顿工业大学冯新亮教授团队和上海交通大学麦亦勇研究员团队合作开发出一种全新的超分子自组装策略,制备出二维超薄的介孔导电高分子材料。该法涉及两种不同的胶束组装体做模板,包括长链脂肪胺(十八烷胺),其在溶液中自组装形成超薄的片层结构胶束,和两亲性嵌段共聚物聚苯乙烯b-聚氧化乙烯(PSbPEO),其在溶液中自组装形成尺寸均一的球形胶束;将这两种胶束组装体溶液混合,聚合物球形胶束通过氢键和静电作用等非共价键作用自发地聚集到小分子片层的表面并紧密排列,形成具有三明治夹芯结构的二级超分子组装结构。这种通过协同共组装形成的二维超分子组装体,可通过氢键等非共价键作用力将吡咯分子吸附到聚合物球形胶束的PEO相区,吡咯分子在催化剂的作用下聚合形成连续的聚吡咯网络。最后,利用有机溶剂同时溶解并除去小分子和共聚物模板,得到具有规则介孔结构的超薄二维导电聚吡咯。该方法中,两种不同特性的分子组装体分别发挥不同的作用,其中,长链十八烷胺形成的小分子超薄片层,保证所得材料形成超薄二维结构;聚合物球形胶束作为模板,保证材料中介孔结构的形成,且孔的尺寸可通过调节PS链段的长度控制。通过这种全新的双模板法,研究者们最终获得了厚度可调(25-30 nm),孔径可控(7-14 nm),且具有高比表面积(96 m2 g1)的超薄二维导电聚吡咯。该材料独特的结构,赋予其优异的钠离子存储能力。用于钠离子电池的正极材料时,在50 mA g1的电流密度下,该二维聚吡咯的钠离子存储容量可达123 mAh g1,高于其它形貌的聚吡咯基正极材料以及一些新近发展起来的其它类型的钠离子电池正极材料。

这种通过控制不同分子组装体的协同共组装去制备结构和性能可控的功能材料的新方法,可用于制备一系列不同维度、结构和尺寸可控的多孔功能材料,为超分子自组装构筑新型功能材料领域开辟了新方向。相关论文发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.201603036)上。