JACS :趙東元院士——溶劑限制下水熱誘導產生單組分膠束制備均勻有序的二維介孔TiO2納米片

【引言】

二維材料，是指電子僅可在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動（平面運動）的材料，如納米薄膜、超晶格、量子阱。以石墨烯為代表，二維材料因其有意的物化性能得到廣泛關注和應用。二維孔材料卻鮮有報道，可見其制備難度。該研究成功制備出均一厚度有序介孔的二氧化鈦薄片。

【成果簡介】

近日，復旦大學先進材料實驗室主任趙東元院士（通訊作者）在JACS上發表了題為“Uniform Ordered Two-Dimensional Mesoporous TiO2 Nanosheets from Hydrothermal-Induced Solvent-Confined Monomicelle Assembly”的研究工作。該工作第一次以水熱誘導溶劑限制組裝法制備出了單層二維有序介孔TiO₂納米片，并可精確控制納米片厚度（5.5 ~ 27.6 nm）。應用于鈉離子電池正極展現出優異性能。

【圖文導讀】

圖一. 單層二維介孔TiO₂納米片SEM表征

圖二. 單層二維介孔TiO₂納米片形態表征

a-c. 不同放大倍數下TEM表征；

d. 高角度環形暗場探測器掃描透射電子顯微鏡表征；

e. 原子力顯微鏡表征及納米片厚度測量；

f. 高分辨透射顯微鏡表征及選區電子衍射（內置小圖）。

圖三. 單層二維介孔TiO₂納米片結構及物性表征

a. XRD表征；

b,c. 比表面分析及孔徑分布；

d,e,f. 納米片內部O 1s, Ti 2p 和 C 1s的XPS分析。

圖四. 制備單層二維介孔TiO₂納米片示意圖

圖五. 在鈉離子電池中單層二維介孔TiO₂納米片的電化學性能

【小結】

這種受限二維組裝技術提供了一種利用溶液中物質見得內在相互作用進行材料的形態控制的可行性辦法。并可制備一系列類似結構的材料如ZrO₂, SnO₂, Al₂O₃。

團隊工作匯總：

?通過單膠束組裝，合成制備了一系列介孔二氧化鈦材料。

利用溶劑揮發誘導定向組裝法，梯度揮發四氫呋喃及水溶劑，得到單膠束并誘導聚集組裝成膠束球。在反應過程中，氧化鈦前驅體原位晶化，由中心向外外延生長并迫使球形膠束融合成棒狀膠束，形成具有三維發散孔道及類單晶孔壁的介孔二氧化鈦微球，其染料敏化太陽能電池效率高達12.1%。

利用溶劑揮發誘導組裝，合成均勻米粒狀介晶二氧化鈦。并且在真空高溫條件下該晶粒可全部轉變成二維單晶氧化鈦納米片，其染料敏化太陽能電池效率高達11.6%。

利用反相光子晶體限域組裝法，將梯度揮發誘導單膠束在限域空間生長，合成了具有發散孔道和類單晶孔壁的介孔二氧化鈦三維多級結構。該結構復制了密堆積三維光子晶體結構，由中心一個實心球和周圍十二個半球組成。另外通過控制反應聚集液滴大小，即可得到更為復雜的多級結構：中心十三個實心球，周圍四十四個半球組成。更重要的是，該多級結構具有全部連通的孔道，可作為優異的催化載體，應用于金負載炔烴部分加氫反應，具有超高的反應活性和選擇性。

文獻推薦：

Yong Liu, Renchao Che, Gang Chen, Jianwei Fan, Zhenkun Sun, Zhangxiong Wu, Minghong Wang, Bin Li, Jing Wei, Yong Wei, Geng Wang, Guozhen Guan, Ahmed A. Elzatahry, Abdulaziz A. Bagabas, Abdullah M. Al-Enizi, Yonghui Deng, Huisheng Peng, Dongyuan Zhao*, Sci. Adv., 2015, 1, e1500166.

標題：Radially Oriented Mesoporous TiO2 Microspheres with Single-Crystal–Like Anatase Walls for High-Efficiency Optoelectronic Devices

Yong Liu, Yongfeng Luo, Ahmed A. Elzatahry, Wei Luo, Renchao Che, Jianwei Fan, Kun Lan, Abdullah M. Al-Enizi, Zhenkun Sun, Bin Li, Zhengwang Liu, Dengke Shen, Yun Ling, Chun Wang, Jingxiu Wang, Wenjun Gao, Chi Yao, Kaiping Yuan, Huisheng Peng, Yun Tang, Yonghui Deng, Gengfeng Zheng, Gang Zhou, and Dongyuan Zhao*, ACS Cent. Sci., 2015, 1, 400–408.

標題：Mesoporous TiO2 Mesocrystals: Remarkable Defects-Induced Crystallite-Interface Reactivity and Their in Situ Conversion to Single Crystals

Yong Liu, Kun Lan, Shushuang Li, Yongmei Liu, Biao Kong, Geng Wang, Pengfei Zhang, Ruicong Wang, Haili He, Yun Ling, Abdullah M. Al-Enizi, Ahmed A. Elzatahry, Yong Cao, Gang Chen, Dongyuan Zhao*, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 517–526.

標題：Constructing Three-Dimensional Mesoporous Bouquet-Posy-Like TiO2 Superstructures with Radially Oriented Mesochannels and Single-crystal Walls

文獻鏈接：Uniform Ordered Two-Dimensional Mesoporous TiO2 Nanosheets from Hydrothermal-Induced Solvent-Confined Monomicelle Assembly（JACS, 2018 DOI: 10.1021/jacs.8b00909）

本文由材料人編輯部納米學術組Mr_PSP供稿，材料牛編輯整理。

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