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基于软模板构建三维大孔的聚吡咯骨架材料

因为有独特的二维超薄结构、优异的电学和物理等性能,石墨烯成为时下的一个研究热点。同时,这也激起了人们开发新型二维纳米结构材料的热情。通过自上而下的机械剥离、化学和电化学剥离等手段,以及自下而上的气-液-固、气-固生长等技术,人们已经可以获得一系列二维超薄的无机、有机和聚合物材料。然而,由于较高的表面能和层间很强的范德华力,那些超薄的二维纳米片倾向于重新聚集形成块体材料,这种现象不利于其在能源存储、催化和化学传感等领域的潜在应用。将其重新排列,形成三维的溶胶结构,可以有效地缓解二维超薄纳米片材料的聚集现象。这种由二维超薄纳米片直接构建形成的三维多孔材料,因为兼有二维材料和大孔材料的优点,能为材料提供高的比表面积和贯通的多孔结构,从而利于电解质和离子的快速扩散。这种材料用于能源存储装置的电极活性材料时,会表现出很大的优势。因此,三维多孔的无机气溶胶材料,包括金属氧化物、氮化物、硫化物和(氧化)石墨烯等,已经通过溶液自组装、以及三维基底的直接生长等途径而成功地得以制备,但基于二维超薄纳米片直接构筑三维大孔导电聚合物材料,却一直未能实现。

基于软模板构建三维大孔的聚吡咯骨架材料

德累斯顿工业大学冯新亮教授团队开发出一种新的超分子自组装策略,从导电聚合物的小分子前驱体出发,经由两步连续自组装,直接得到由二维超薄的聚吡咯纳米片构建而成的三维多孔导电聚合物骨架材料。其中,两亲性小分子——含氟的长链十四酸(perfluorocarboxylic acids,PFCA),首先在乙醇和水的混合溶液中自组装形成二维超薄的片层结构,其丰富的羧酸官能团暴露于二维片层的外表面,可以和导电聚合物的前驱体发生作用,导向前驱体聚合形成二维超薄的聚吡咯纳米片。进一步地,上述二维超薄的纳米片继续聚合交联,形成三维大孔的聚合物骨架结构。经过简单的乙醇萃取,除去PFCA模板,随后水洗后冷冻干燥,可以得到三维大孔的聚吡咯气溶胶材料。其中,二维的聚吡咯纳米片组装单元的厚度为10~16 nm、孔尺寸1~2 µm、比表面积达60 m2 g-1。这种由二维超薄纳米片构建的三维大孔聚合物结构材料,作为钠离子电池的正极材料时表现出优秀的钠离子存储性能,包括高的容量(106 mAh g-1,80 mA g-1),良好的倍率性能和优秀的循环稳定性(在150 mA g-1的倍率充放电循环200圈后,仍能保持其初始容量的95%)。而在相同条件下,其它钠离子电池电极材料的容量通常低于100 mAh g-1。

这种从小分子的前驱体出发,经由两步连续组装,得到由二维超薄聚吡咯纳米片构建而成的三维多孔导电聚合物骨架材料的策略,为自组装制备结构复杂的多功能材料,提供了新的思路。本工作发表在近期的Small (DOI: 10.1002/smll.201604099 )上,通讯作者为德累斯顿工业大学的冯新亮教授,第一作者为刘少华博士。

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