ACS Nano:在水溶液中制備具有獨立單層單體厚度的2D共軛聚合物

【引言】

2D材料具有很獨特的性質，應用潛力巨大。通常，它是由重復的有機單元以單獨的片層狀結構在相互垂直的方向周期性排列而成的網狀結構組成。2D有機層之間既可以是共價鍵連接，也可以是非共價鍵連接，各有各的優點。而利用不同的非共價鍵相互作用，合成含有2D共軛聚合物的2D超級大分子聚合物，具有很重要的意義。但是，相比于1D線性聚合物和3D交聯聚合物的合成，由于缺乏簡便高效的合成方法，2D聚合物的合成及其研究一直停滯不前。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學的白如科教授（通訊作者）等人，開發了一種在水溶液中無需添加任何助劑直接從1D到2D制備具有獨立單層單體厚度的2D共軛聚合物的方法。該方法利用了剛性的兩親性1D聚合物進行肩并肩自組裝，在水中發生局部化學光聚合反應，之后在疏水作用、-疊加作用以及靜電互斥作用下，不斷形成單層聚合物層狀結構；通過光譜分析和電子顯微鏡檢測，他們對超大分子層聚合物和共軛層聚合物進行了確認。與超大分子2D聚合物相比，共軛2D聚合物層不僅機械強度大，而且電導率高。相關成果以“From 1D Polymers to 2D Polymers: Preparation of Free-Standing Single-Monomer-Thick Two-Dimensional Conjugated Polymers in Water”為題，發表在6月22日的ACS Nano期刊上。

【圖文導讀】

圖1 具有獨立單層單體厚度的2D聚合物的制備流程示意圖

制備流程包括三步：1、設計合成具有兩親性1D剛性共軛聚合物（A-1DP）；2、通過A-1DP在水溶液中發生自組裝制備單層2D超大分子聚合物（2D-SP）；3、通過單層2D-SP中的雙炔基團發生光致聚合作用制備單層2D共軛聚合物（2D-CP）。

圖2 2D-SP和2D-CP圖

（a）單層2D-SP的透射電子顯微鏡圖；

（b）單層2D-CP的透射電子顯微鏡圖；

（c）水溶液中對2D-SP右上角進行放大后的熒光顯微圖；

（d）水溶液中對2D-SP右上角進行放大后的HRTEM圖；

（e）2D-SP中單個碳原子的電子衍射模式圖。

圖3 分散在水中的2D-SP層轉移到SiO₂/Si晶片上的示意圖及其AFM圖

（a）單體構象的正視圖；

（b）單體構象的側視圖；

（c）2D-SP的AFM圖及其高度曲線圖。

圖4 2D-SP的UV吸收測試和熒光測試

（a）2D-SP溶液的UV吸收測試光譜，紅色線表示溶液沒經過光照，藍色線表示溶液在254nm光下照射了6h；

（b）UV吸收測試相應的可見光；

（c）2D-SP溶液的熒光測試光譜，紅色線表示溶液沒經過光照，藍色線表示溶液在254nm光下照射了6h；

（d）熒光測試相應的熒光圖。

圖5 不同剪切率和壓力下，iPP和β-NA混合物的DSC熱曲線圖

（a）拉曼光譜圖，藍色表示2D-SP，黑色表示2D-CP；

（b）獨立2D-CP中心的加載曲線示意圖，插圖表示納米壓痕法；

（c）單層2D-SP的TEM圖；

（d）單層2D-CP的TEM圖。

【小結】

1、制備了含有二苯基蒽和雙炔基重復單元的A-1DPs，然后基于從1D到2D的制備，開發了一種簡潔高效制備單分子層2D聚合物的方法，該方法包括在水溶液中1D聚合物的自組裝和2D超大分子聚合物之間的光致交聯反應。通過該方法制備了獨立單分子層的2D-SP和2D-CP；
2、利用電子顯微鏡和光譜分析技術，表征了2D-SP和2D-CP的結構和形態，發現2D-CP比2D-SP具有更優良的機械穩定性和導電率。

文獻鏈接：From 1D Polymers to 2D Polymers: Preparation of Free-Standing Single-Monomer-Thick Two-Dimensional Conjugated Polymers in Water（ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b03109）

通訊作者簡介：白如科教授，1978年11月畢業于中國科學技術大學高分子化學專業后留校任教，1984年12月獲中國科學技術大學理學碩士學位，1989年9月獲中國科學院北京化學所理學博士學位。1989年11月起為中國科學技術大學材料科學與工程系講師，1995年6月為高分子科學與工程系副教授，2002年1月晉升為教授,同時被聘為博士生導師。曾于1989年、1992年、1996年和1998年在日本早稻田大學和東京大學做短期研究工作。

本文由材料人編輯部高分子小組熊文杰提供，材料牛編輯整理。

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