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双模板自组装可控制备二维介孔导电聚合物
目前，开发新型的类石墨烯结构的二维超薄材料已成为一个新的研究热点。尽管利用现有的技术，例如机械剥离、电化学剥离、气相沉积生长等，已经可以实现很多二维超薄材料的制备，但在二维超薄材料的内部进一步可控地构造规则的介孔结构，仍面临巨大挑战。而尺寸范围在2-50 nm的介孔结构的引入，可赋予二维超薄材料更高的比表面积和贯通的网络结构，拓宽其在能源和催化等领域的应用范围。
近日，上海交通大学麦亦勇研究员（点击查看介绍）团队和德累斯顿工业大学冯新亮教授（点击查看介绍）团队合作，通过小分子和大分子在溶液中的协同自组装，制备出孔径可控（7-14 nm）、厚度可调（25-30 nm）、且具有高比表面（96 m2 g-1）的二维超薄介孔导电聚吡咯材料。该方法利用长链脂肪胺（十八烷胺）和两亲性嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚氧化乙烯（PS-b-PEO）分别作为小分子和大分子自组装前体，它们在溶液中分别自组装形成二维超薄的片层结构和单分散的球形胶束。同时，聚合物球形胶束可以通过氢键和静电等非共价键作用，在脂肪胺形成的二维片层表面自发地聚集排列，形成两维三明治结构的超分子组装体。吡咯分子通过氢键等非共价键作用力吸附并聚集到聚合物球形胶束的PEO相区，在引发剂的作用下聚合形成连续的聚吡咯网络。之后，利用有机溶剂溶解，同时移除脂肪胺和共聚物模板，得到具有规则介孔结构的二维超薄导电聚吡咯。其中，长链十八烷胺形成的二维超薄片层，能保证材料形成二维结构；而聚合物球形胶束，能保证材料介孔结构的形成，且孔尺寸可通过PS链段的长度进行控制。将这种通过超分子自组装方法制备出的高比表面积的超薄二维导电聚吡咯材料用于钠离子电池的正极，钠离子存储容量在50 mA g-1的电流密度下可达123 mAh g-1，高于其它结构的聚吡咯基正极材料和一些已报道的其它类型的钠离子电池正极材料。这种通过大、小分子协同自组装制备结构和性能可控的二维功能材料的新方法，也可用于一系列不同维度、结构和尺寸可控的多孔材料的构筑，为超分子自组装构筑新型功能材料领域开辟了新方向。
相关论文发表在近期的Advanced Materials上，第一作者是德累斯顿工业大学刘少华博士，通讯作者为上海交通大学麦亦勇研究员和德累斯顿工业大学冯新亮教授。
该论文作者为：Shaohua Liu, Faxing Wang, Renhao Dong, Tao Zhang, Jian Zhang, Xiaodong Zhuang, Yiyong Mai, Xinliang Feng
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201603036/full
Dual-Template Synthesis of 2D Mesoporous Polypyrrole Nanosheets with Controlled Pore Size
Adv. Mater., 2016, 28, 8365-8370, DOI: 10.1002/adma.201603036
科研思路分析
Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？
A: 我们的研究兴趣是通过超分子自组装方法构筑新型的类石墨烯二维功能材料，并赋予二维材料介孔特征，使其在能源、催化等领域具备潜在应用。我们之前的研究表明（Nat Commun, 2015, 6, 8817），利用两亲性嵌段共聚物组装形成的球形胶束，可以在溶液中悬浮的一系列二维超薄材料，如（氧化）石墨烯、二硫化钼和二氧化钛等表面与吡咯、苯胺等前体共组装形成规则的导电高分子介孔结构（聚吡咯和聚苯胺等）。但这种方法制备的复合材料，它们的厚度控制仍然有限，取决于所用的二维材料剥离后的厚度。实际上，一些两亲性小分子的自组装，比如我们用的十八烷基胺，在合适的条件下能够在水溶液中自组装形成超薄的片层结构，且片的厚度均一可控（近似等于十八烷基胺分子长度的两倍）。此外，形成的片层结构表面有大量的氨基。将这些片层结构与一些两亲性嵌段共聚物胶束共组装，氨基可以通过氢键、静电等作用力吸附共聚物胶束，并使得胶束在片层两面形成紧密排列。得到的两维组装结构作为苯胺、吡咯等分子前体聚合的模板，加之十八烷基胺和嵌段共聚物都很容易通过常用有机溶剂洗去，我们就可以获得纯的二维超薄导电高分子介孔材料。
Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？
A：小分子片层、聚合物胶束和导电高分子前体之间的共组装能否成功形成我们想要的两维组装结构受很多因素影响，包括这些组装前体的浓度、配比、组装体系的溶剂组成等等。此外，导电高分子的聚合是否会破坏已经形成的组装结构等问题也需要考虑。虽然有一些自组装理论可以参考，但摸索合适的自组装条件仍是本研究的最大挑战。我们团队在超分子自组装和二维材料的合成等研究上具备较好前期积累，使得这项研究得以顺利进行。
Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？
A：我们初步尝试了其在钠离子电池领域的应用，该材料表现出优异的钠离子存储能力。另外，因为该材料独特的二维的超薄多孔结构，结合聚吡咯导电高分子材料本身的特殊性能，我们期望该材料能在其它能源器件，比如超级电容器、燃料电池等，以及过滤膜、气体传感等领域具备潜在应用。我们的研究有助于启发从事二维材料、超分子自组装、高分子和介孔材料领域的研究者，为设计新型材料提供新思路。
研究团队简介
刘少华博士
http://orcid.org/0000-0001-9079-5334
麦亦勇研究员
http://www.x-mol.com/university/faculty/12566
http://scce.sjtu.edu.cn/jiaoshi.php?aid=99&c=3
冯新亮教授
http://www.x-mol.com/university/faculty/31110
https://cfaed.tu-dresden.de/182