Advanced Functional Materials:二维有序介孔材料的合成及其在能量储存和转换领域的研究进展

有序介孔材料(OMMs)凭借独特的结构特征,在构建具有高功率密度,长寿命,高界面活性和快速反应动力学器件上显示出巨大的应用潜力。在过去的几年中,利用两亲性有机大分子作为结构导向剂,通过“协同组装”策略来制备有序介孔材料的软模板法取得了一系列重大进展,实现了对介孔材料的化学组成、孔道尺寸、介观结构、颗粒形貌、粒径尺寸等在一定范围内的有效调控。但是,通过这些传统策略获得的介孔材料,一般为体相材料,是具有纳米孔的三维有序组装体,其内部活性位不能被充分的暴露,且不利于客体分子在孔道中的快速传输,这在很大程度上限制了材料的应用性能。

近年来,二维有序介孔材料(2DOMMs)正迅速成为介孔材料研究的新方向。2DOMMs不仅继承了介孔材料的结构优势,而且具有超薄的二维几何结构,能够充分克服传统体相介孔材料的缺陷:1)开放式的二维结构理想情况下可确保近100%的客体离子/分子进入,这大大促进了电化学反应动力学;2)2DOMMs结构清晰,是研究反应机理的理想模型。目前,有很多方法被用来合成2DOMMs, 总的可概括为自上而下和自下而上两种策略。自上而下的方法,需要预制二维材料,进而对其蚀刻成孔,这种策略产量低、成本高、可控性差、通用性不佳。此外,所构建的介孔有序性较差,限制了材料的应用性能。相反,自下而上的组装策略具有很高的通用性,一般不需要复杂的操作步骤。尤其将“自下而上”的合成概念与单胶束组装策略相结合,已经在纳米级别甚至分子水平上构建了一系列结构、组分、形貌可控的2DOMMs。这些材料在能量储存和转换领域展现出了巨大的应用潜质。然而,目前尚缺乏对这些最新的研究成果的深入理解、归纳与综述。

鉴于此,东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院罗维教授团队总结了近年来二维有序介孔材料的合成方法,组装机理及其在能量储存和转换领域的研究进展。

文章亮点

1)总结了以单胶束为构建基元,自下而上组装制备二维有序介孔材料的方法,包括分子/层间限域组装、界面诱导组装和表面限制组装等。

2)介绍了各个方法的构筑机理,及精确调控二维有序介孔材料厚度、孔径大小、孔道结构等关键结构参数的基本机制。

3)综述了二维有序介孔材料在各种能量存储和转换领域中的潜在价值,包括二次电池、超级电容器、电催化等。此外,还介绍了材料结构特性对不同器件功能性能的影响。

4)最后,作者对该领域的发展趋势进行了总结和展望。

相关论文“Pushing the Limit of Ordered Mesoporous Materials via 2D Self-assembly for Energy Conversion and Storage”发表在Advanced Functional Materials(DOI: 10.1002/adfm.202007496)上,东华大学青年教师邱鹏鹏为本文的第一作者,罗维教授和李小鹏教授为通讯作者。论文得到了国家自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、上海市扬帆计划、上海市自然科学基金、上海市青年拔尖人才开发计划、上海市科委基础研究领域项目、东华大学励志计划等的资助。