水熱誘導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異的光學、電化學性能，近年來引起廣泛的關注1,2。因為二維孔材料結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物的充分接觸和傳質過程，同時保持二維納米結構的優異光、電等性質。因此在光化學、電化學、催化、分離等方面體現了更好的應用價值。為了合成出二維孔材料，許多合成方法也相繼出現。比如，通過自下而上的合成方法3，通過設計有機小分子單體并控制組裝可以實現具有微孔結構的二維共軛聚合物，但合成工藝復雜困難，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，復旦大學化學系趙東元教授課題組發展了一種水熱誘導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構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。將其揮發至形成淺黃色凝膠后，形成單膠束氧化鈦/表面活性劑復合物，溶解于乙醇/丙三醇混合溶劑并置于水熱釜中反應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即可形成二維介孔結構，操作簡便，產量更高。另外，由于溶劑限域效應及密封的反應體系，此方法能夠有效地將全部膠束轉化成二維介孔氧化鈦，沒有任何雜質(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構，通過調節丙三醇的用量，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構和介孔結構，具有特殊性能，在鈉離子電池等領域具有良好的應用前景。

該研究工作近期已在Journal of the American Chemical Society上在線發表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，為進一步開發高性能的二維多孔材料提供了新的思路。