有序介孔材料與石墨化納米點的自嵌入超組裝

鄭南峰

(廈門大學化學系，2011能源材料化學協同創新中心，福建廈門361005)

有序介孔材料與石墨化納米點的自嵌入超組裝

鄭南峰

(廈門大學化學系，2011能源材料化學協同創新中心，福建廈門361005)

近二十年以來，介孔材料已發展成為多孔材料的最重要領域之一1－3。由于其具有高的比表面積、納米尺寸的規整孔結構、豐富可調的骨架組成和表面性質，介孔材料為實現大分子的擴散與轉化、能量的高效利用與儲存等提供了難得的機遇和廣闊的空間，并在電池、光伏、光電子、流體器件、傳感器、離子交換、藥物傳送和催化領域有著廣闊的應用前景4－6。其中，通過在介孔材料的孔道或孔墻內部引入具有不同特性的客體材料，并保持其原有主體的有序結構，以獲得獨特功能，已成為目前材料科學領域的研究熱點之一2,3。盡管目前科學家已經將某些離子、有機分子或金屬配合物橋連的分子成功納入有序介孔的骨架7,8，但如何通過自組裝的方式原位地將納米尺度的光學活性材料直接摻雜到有序介孔框架中仍然是一個非常大的挑戰。

圖1　介孔材料自嵌入超組裝策略9

最近，復旦大學趙東元院士領銜的科研團隊在Nature Chem istry上發表的研究論文報道了他們在新型有序、光電功能介孔材料組裝方面取得的重要進展9。他們發展了一種“自嵌入超組裝”策略，成功地將具有超小尺度(<5nm)的石墨化納米點直接嵌入到了介孔骨架，獲得了有序復合介孔光電子材料。該類石墨化納米點利用普通鉛筆芯通過電化學方法制備而成，簡單易得，并可通過氮摻雜進一步提高其光電性能(圖1a)，具有耐光漂白、低毒性、高分散性、高穩定性等多種優異性質。超小尺度、氮摻雜的的石墨化納米點與介孔材料的有機分子前驅體、表面活性劑之間存在著強相互作用，這是該團隊成功地在多種高度有序介孔骨架(包括介孔二氧化硅、碳、碳硅復合物、二氧化鈦等)中嵌入氮摻雜的石墨化納米點的重要原因(圖1b)。重要的是，所合成的有序復合介孔光電材料不僅保持了原有的介孔材料的高比表面、高穩定性等優越性能，而且還因氮摻雜石墨化納米點的引入擁有了具有高效光電轉化功能的有機介孔骨架，理論計算也證明了該氮摻雜的石墨化納米點可有效地將光生電子向介孔材料(如二氧化鈦)轉移。因兼具介孔材料的結構優勢和高光電活性界面，所合成的復合介孔材料有著常規介孔材料無法媲美的優越發光和可見光分解水制氫性能。

該團隊所發展的“自嵌入超組裝”策略為制備高性能的多孔界面材料與器件提供了一條新思路，實現了弱的非共價鍵(如氫鍵、范德華力和電價鍵)驅動的有序結構的自組裝，同時極大地降低了組裝過程中引入外源材料產生的尺寸效應對前驅體的影響，具有廣闊的理論示范和應用前景。

References

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10.3866/PKU.WHXB201602191