水熱誘導(dǎo)溶劑限域單膠束組裝合成單層有序介孔氧化鈦納米片

韓布興

中國科學(xué)院化學(xué)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(jī)理。

二維納米材料由于其優(yōu)異的光學(xué)、電化學(xué)性能，近年來引起廣泛的關(guān)注1,2。因?yàn)槎S孔材料結(jié)合了超薄二維材料及多孔材料的特點(diǎn)于一體，具有更高的比表面積促進(jìn)與反應(yīng)物的充分接觸和傳質(zhì)過程，同時(shí)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(xué)、電化學(xué)、催化、分離等方面體現(xiàn)了更好的應(yīng)用價(jià)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(jì)有機(jī)小分子單體并控制組裝可以實(shí)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(xué)刻蝕法4(如 KOH)在二維材料(如石墨烯)上進(jìn)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(gè)重要難題。

最近，復(fù)旦大學(xué)化學(xué)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(bào)道了單膠束組裝二維單層介孔氧化鈦的可控合成，為進(jìn)一步開發(fā)高性能的二維多孔材料提供了新的思路。