韓布興
中國科學院化學研究所,北京 100190
(a, b) 單層介孔氧化鈦納米片的SEM表征;(c, d) 單層介孔氧化鈦納米片的TEM及高分辨TEM表征;(e) 水熱誘導(dǎo)溶劑限域單膠束組裝介孔氧化鈦形成機理。
二維納米材料由于其優(yōu)異的光學、電化學性能,近年來引起廣泛的關(guān)注1,2。因為二維孔材料結(jié)合了超薄二維材料及多孔材料的特點于一體,具有更高的比表面積促進與反應(yīng)物的充分接觸和傳質(zhì)過程,同時保持二維納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)異光、電等性質(zhì)。因此在光化學、電化學、催化、分離等方面體現(xiàn)了更好的應(yīng)用價值。為了合成出二維孔材料,許多合成方法也相繼出現(xiàn)。比如,通過自下而上的合成方法3,通過設(shè)計有機小分子單體并控制組裝可以實現(xiàn)具有微孔結(jié)構(gòu)的二維共軛聚合物,但合成工藝復(fù)雜困難,且孔徑小。另外,研究人員利用化學刻蝕法4(如 KOH)在二維材料(如石墨烯)上進行刻蝕得到二維多孔材料,但該方法引入大量缺陷,影響其性能。其他合成方法諸如利用電子束、氧等離子體刻蝕等5,6,雖然使造孔成為可能,但可控性、重復(fù)性差,不具備普適性。目前,可控合成二維多孔材料依然是一個重要難題。
最近,復(fù)旦大學化學系趙東元教授課題組發(fā)展了一種水熱誘導(dǎo)溶劑限域單膠束組裝方法,成功制備了具有二維單層介孔結(jié)構(gòu)的有序介孔氧化鈦納米片。首先,配置含鈦源(TBOT)、表面活性劑(三嵌段聚合物F127)的酸性THF溶液。將其揮發(fā)至形成淺黃色凝膠后,形成單膠束氧化鈦/表面活性劑復(fù)合物,溶解于乙醇/丙三醇混合溶劑并置于水熱釜中反應(yīng)10 h,即可得到二維介孔氧化鈦。相比于在二維基底上合成二維介孔材料7,8,此方法不需要任何固體界面誘導(dǎo)即可形成二維介孔結(jié)構(gòu),操作簡便,產(chǎn)量更高。另外,由于溶劑限域效應(yīng)及密封的反應(yīng)體系,此方法能夠有效地將全部膠束轉(zhuǎn)化成二維介孔氧化鈦,沒有任何雜質(zhì)(未組裝的氧化鈦小顆粒)生成。該二維介孔氧化鈦納米片具有高的比表面積和孔體積,由單層5.5 nm的介孔組成,晶化的顆粒尺寸約為 2.4 nm。不僅可以組裝成單層介孔結(jié)構(gòu),通過調(diào)節(jié)丙三醇的用量,還可以組裝成雙層、多層有序介孔氧化鈦二維材料。由于其超薄的二維結(jié)構(gòu)和介孔結(jié)構(gòu),具有特殊性能,在鈉離子電池等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。
該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發(fā)表9。該工作首次報道了單膠束組裝二維單層介孔氧化鈦的可控合成,為進一步開發(fā)高性能的二維多孔材料提供了新的思路。