Adv.Mater. 雙模板法合成孔徑可控的二維介孔聚吡咯納米片

【成果簡介】

近年來，科學家們一直致力于發展新型二維（2D）材料。該材料具有很多誘人的性質，如表面積大、機械強度高、電子和光學性能突出。二維介孔(尺寸為2-50 nm)納米片具有相互連接的孔隙網絡，明晰的孔徑陣列和大的比表面積，可以提高電化學性能、催化活性和選擇過濾能力。二維介孔納米片的合成正成為一個有吸引力的研究方向。目前，已通過自上而下（機械切割、液相和電化學剝離）和自下而上的生長方法合成了大量的二維無機原子層狀材料、柔軟的有機和高分子納米片。基于溶液的超分子自組裝是一種直接制備結構精密的納米材料和分子尺度材料的有效方法。由于制備可控制、厚度控制精確、模板易去除無殘留等優點，該方法為復雜的、分層的二維結構如介孔納米片的構建提供了一個理想的平臺。然而，由于缺乏高效的合成策略，這種方法仍然面臨重大的挑戰。

?最近，上海交通大學馮新亮教授和麥亦勇教授（共同通訊）等人采用自下而上的方法，通過雙親性脂肪胺（十八胺，OTA）和聚苯乙烯-b-聚環氧乙烷（PS-b-PEO）嵌段共聚物（BCPs）的協同自組裝合成了孔徑可控的二維介孔聚吡咯（mPPy）納米片。OTA和BCP先分別預組裝成超薄二維脂質雙層和較窄尺寸分布的球形膠束。球形膠束在二維雙層兩表面上的單層排列形成了二維分層的“三明治”狀組件。二維“三明治”狀組件進一步引導吡咯單體的聚合，經溶劑萃取脫除模板，最終合成了可控孔徑范圍在6.8–13.6 nm、超薄厚度為25-30 nm和表面面積高達96 m²g^–1的二維mPPy納米片。用作鈉離子電池正極材料時，具有獨特結構的二維mPPy納米片在50 mA g^?1的電流密度下，離子存儲容量高達123 mAh g^?1，倍率性能令人滿意，循環性能優良，其電化學性能優于已報道的聚吡咯基正極材料和其它最新開發的鈉離子電池正極材料。

【圖文導讀】

圖1?二維介孔PPy納米片合成示意圖

a．室溫下，BCP和脂肪胺（十八胺，OTA）在混合溶劑中的自組裝分別形成球形膠束和二維脂質雙層。

b．超分子“三明治”狀結構是由球形BCP膠束在二維雙層兩表面上的單層排列而形成。

c．BCP膠束和吡咯單體在OTA表面上的共組裝。

d．通過吡咯單體協同模板聚合時加入過硫酸銨(APS)形成原始的二維介孔PPy納米片。

e．去除OTA和BCP模板后制備成介孔PPy納米片。

圖2?使用PS₁₁₇-b-PEO₁₁₄和OTA為模板合成的mPPy-1納米片的形貌和微觀結構

a．mPPy-1納米片的SEM圖像。

b．mPPy-1納米片的AFM測量（垂直尺度：205 nm）。

c，d．mPPy-1納米片的TEM圖像（比例尺：100 nm）。

圖3 使用PS₃₃-b-PEO₁₁₄和OTA為模板合成的mPPy-2納米片的形貌和微觀結構

a．mPPy-2納米片的SEM圖像。

b．mPPy-2納米片的AFM測量（垂直尺度：242nm）。

c．mPPy-2納米片的TEM圖像（比例尺：100nm）。

d．mPPy-1和mPPy-2納米片的氮氣吸附脫附等溫曲線。mPPy-1納米片樣品的等溫曲線是由40 cm³ g^?1 STP垂直偏移形成的。

圖4 鈉離子電池正極材料mPPy納米片的性能

a. ?鈉離子電池正極材料mPPy納米片的CV曲線。

b. ?mPPy納米片正極材料的充放電曲線。

c. ?不同電流密度下的倍率性能（PPy-blank：不規則顆粒）。

d. ?在300 mA g^-1電流密度下，mPPy-1納米片正極材料的循環穩定性。

e，f．mPPy-1納米片正極供電白光LED（3-3.6 V）和紅光LED（1.7-2.3 V）的光學圖像。

【總結】

研究者們首次采用了超分子協同自組裝的方法，自下而上的合成了介孔結構可控的二維PPy納米片。雙親性脂肪胺和PS-b-PEO嵌段共聚物在溶液中的自組裝分別形成了二維雙層和球形膠束。“三明治”狀組件進一步引導吡咯單體聚合成雙層結構、孔徑可控、厚度超薄和比表面積大的二維介孔PPy納米片。獨特的結構使得PPy納米片在用作鈉離子電池正極材料時，表現出優良的電化學性能。該研究為孔徑可控的的介孔結構材料自下而上的構建鋪平了道路；為低成本的、基于溶液的自組裝技術在傳感器、電子及能源應用方面的發展提供了機會。

馮新亮教授簡介：

2008年在德國馬普高分子研究所獲博士學位。2011年受聘于上海交通大學，現任上海交通大學化學化工學院教授。研究方向包括二維大分子和超分子，二維納米石墨烯的合成研究，宏量制備高質量二維石墨烯材料研究，合成水溶和油溶可加工石墨烯研究，基于石墨烯的二維納米能源材料和電子器件研究等。到目前為止，發表學術論文160篇，其中Nature, Nat. Mater.，Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed., Nano Letters, J. Am. Chem. Soc, Adv. Mater., Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res等國際頂尖化學和材料學術雜志 (影響因子>10)上發表學術論文近80篇。近年來除承擔馬普協會每年固定科研項目，目前還主持或承擔歐盟，德國以及企業界十多項重要研究課題，總數額達1000萬歐元以上。（通訊作者信息來源于上海交通大學化學化工學院官方網站）

麥亦勇教授簡介：

2007年在上海交通大學化學化工學院獲博士學位。2014 上海市“東方學者”特聘教授，現任上海交通大學特別研究員，博士生導師。研究方向包括：具有不同拓撲結構聚合物的合成、表征及功能化；聚合物自組裝；聚合物媒介的無機納米粒子可控自組裝；多維度碳基材料/復合材料的可控制備、組裝及應用探索等。主持和參與國家自然科學基金，教育部博士學科點專項科研基金，教育部留學回國人員科研啟動基金，上海市自然科學基金，上海交通大學留學回國人員科研啟動基金等科研項目。（通訊作者信息來源于上海交通大學化學化工學院官方網站）

文獻連接：Dual-Template Synthesis of 2D Mesoporous Polypyrrole Nanosheets with Controlled Pore Size (Adv. Mater., 2016, DOI:?10.1002/adma.201603036)

該文獻導讀由材料人編輯部學術組新能源學術小組履冰供稿，材料牛編輯整理。

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