Advanced Materials:石墨烯体系中的阳离子-π相互作用

阳离子-π相互作用是一种非共价相互作用,在自然界,尤其是生命体中普遍存在,在诸多生命反应进程中必不可少。近年来,阳离子-π相互作用在生物学、化学、物理学中的关键作用被广泛关注。阳离子-π相互作用的强度受离子性质、π体系大小/构型/曲率及π体系取代效应等多种因素的影响。此外,阳离子-π相互作用与π-π相互作用和氢键之间有协同效应,当π体系参与这两个相互作用时,将使其强度增强。

近年来,阳离子-π相互作用在纳米碳材料体系中的重要性逐渐受到重视。石墨烯是碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维材料,可被视为一种独特的芳香族大分子。石墨烯体系中的阳离子-π相互作用对于氧化石墨膜的结构稳定性、选择性及层间距调控有着决定性的影响。阳离子和石墨烯中离域π电子之间的相互作用会引起阳离子在石墨烯表面的富集、溶液中离子及石墨烯结构中电子的重新分布,进而影响石墨烯材料的本征性质及基于石墨烯的器件的性能。深入理解石墨烯体系中的阳离子-π相互作用对于石墨烯特性的调控、器件的优化设计具有重要意义。

清华大学朱宏伟教授团队发表了题为“Cation-π Interactions in Graphene Containing Systems for Water Treatment and Beyond”的综述论文,系统总结了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用在水处理(膜分离、吸附)、新材料合成、纳米发电、能量存储及溶液/复合材料分散等应用中所发挥的关键作用,分析了阳离子-π相互作用的影响机理,综述了现阶段相关理论工作进展,讨论了石墨烯体系中的阳离子-π相互作用研究中存在的问题,展望了未来潜在的研究方向。

近年来,朱宏伟教授团队在石墨烯等新型二维材料的可控制备、结构设计及其在能源(太阳能电池、光电探测、光电催化)、环境(水处理、空气净化、土壤治理)、柔性传感器件等领域开展了大量研究工作,取得了一系列重要进展。本综述论文以石墨烯体系中的阳离子-π相互作用为切入点,对相关研究报道进行了梳理和讨论,并对其发展趋势和前景进行了展望。

相关综述论文发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201905756)上。第一作者为清华大学材料学院博士生赵国珂。本研究受到国家自然科学基金委基础科学中心项目和面上项目资助。