东华大学罗维教授团队《AFM》.：二维自组装打破传统介孔材料在能量储存和转换方面应用局限的研究进展

介孔材料凭借独特的结构特征，在构建具有高功率密度，长寿命，高界面活性和快速反应动力学器件上显示出巨大的应用潜力。然而传统的介孔材料，一般为体相材料，在应用过程中经常会遇到堵塞，阻碍快速扩散路径的形成以及活性位点的暴露。为了解决这个问题，通过二维自组装，构建二维有序介孔材料（2DOMMs）是最佳的选择之一。2DOMMs不仅继承了介孔材料的结构优势，而且具有超薄的二维几何结构，其开放式的二维结构理想情况下可确保近100%的客体离子/分子的进入，这大大促进了电化学反应动力学。此外，2DOMMs结构清晰，是研究反应机理的理想模型。目前有很多方法被用来创制2DOMMs, 其中最典型的是“自下而上”单胶束自组装策略。这种方法普适、简单、可控性强，已经广泛应用于制备2DOMMs，但是目前尚缺乏对最近研究成果的深刻总结与概述。

成果简介

东华大学纤维材料改性国家重点实验室、材料科学与工程学院罗维教授团队综述了二维有序介孔材料（2DOMMs）的合成及其在能量储存和转换方面的研究进展。重点介绍了以“自下而上”单胶束组装策略构建2DOMMs的机理（分子/层间限域组装、固体表面/2D表面/层状表面诱导组装和表面限制组装）及精确调控其厚度、孔径大小、孔道结构等关键结构参数的基本机制；同时对2DOMMs在能量储存和转换方面的研究进展进行了总结归纳，着重阐述了应用性能与材料结构特性之间的关系；最后对2DOMMs的合成和应用进行了展望。该成果以“Pushing the Limit of Ordered Mesoporous Materials via 2D Self-assembly for Energy Conversion and Storage”为题发表在国际著名期刊Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202007496）上。该论文第一作者是东华大学青年教师邱鹏鹏，罗维教授和李小鹏教授为通讯作者。论文得到了国家自然科学基金、上海市青年科技启明星计划、上海市扬帆计划、上海市自然科学基金、上海市青年拔尖人才开发计划、上海市科委基础研究领域项目、东华大学励志计划等的资助。

图文解读

图1 “自下而上”胶束组装制备二维有序介孔材料的设计要点

图2 传统采用溶致液晶和自组装策略制备体相介孔材料示意图。

图3 分子限域单胶束自组装制备二维介孔二氧化钛（a-e）和贵金属铱(f-o)。

图4 二维层间距限域单胶束自组装制备二维介孔碳材料。

图5 固体表面诱导单胶束自组装制备二维介孔碳和介孔铂金属。

图6 二维材料（石墨烯、Mxene等）表面诱导单胶束自组装制备二维介孔碳。

图7 二维层状结构表面诱导单胶束自组装制备二维介孔碳。

图8盐表面限制单胶束自组装制备二维介孔氧化铈、碳、二氧化钛等。

图9二维介孔铱在电催化OER方面的应用。

图10二维介孔Pt在电催化ORR方面的应用。

图11二维介孔材料在二次电池方面的应用。

图12二维介孔材料合成方面重大突破的总结。

总结与展望

作者总结了近年来利用单胶束自底向上组装法制备2DOMMs的研究成果，包括分子/层间限域组装、界面定向组装和表面限制组装。特别讨论了各种方法在精准调控其厚度、孔径、孔结构、表面性质等结构参数方面的设计原则和基本机制。此外，还着重介绍了2DOMMs在电催化、二次电池和电化学电容器等方面的应用。尽管目前在2DOMMs的合成和应用方面都取得了巨大的成就，但未来发展仍面临巨大的挑战：

1、目前的研究主要集中在小部分材料上，如过渡金属氧化物、碳和聚合物。对其它组分，如金属碳化物或硫化物、g-C3N4、MOFs和沸石等的合成还尚未实现。新方法的开发以及对现有方法的改进与拓展是丰富2DOMMs组分和应用的关键，这离不开新型单胶束策略的创制。

2、在介观结构中引入功能组分（如原子、纳米团簇和纳米晶）来构建复合二维介孔材料还需要进一步的探索。近年来，单原子催化引起了科研工作者广泛的研究兴趣，因此若能够在纳米尺度甚至原子尺度上引入功能组分，将极大的拓展2DOMMs的应用领域。

3、由单胶束“自下而上”自组装制备2DOMMs还处于初级阶段。尽管人们已经尝试将这些材料应用于催化、电池和电容器重要领域，取得了一定的进展，但是还需要进行更多的研究来充分探索应用性能与材料结构之间的内在关系。

4、材料合成的最终导向是大规模生产和应用，然而目前大部分方法都局限于实验室制备。盐表面限制组装策略具有很大的实际应用潜力，这是因为：首先，盐模板绿色丰富，易于去除和重结晶，可重复使用；其次，该方法适用于多组分的控制合成；第三，前体溶液可进一步回收利用使用。在未来的工作中，我们最为迫切的任务是深入了解盐表面限制组装策略的装配机制和工艺设计，以便扩大规模。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007496

来源：高分子科学前沿

转自：“我要做科研”微信公众号

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