有序介孔材料與石墨化納米點(diǎn)的自嵌入超組裝

鄭南峰

(廈門大學(xué)化學(xué)系，2011能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門361005)

有序介孔材料與石墨化納米點(diǎn)的自嵌入超組裝

鄭南峰

(廈門大學(xué)化學(xué)系，2011能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建廈門361005)

近二十年以來，介孔材料已發(fā)展成為多孔材料的最重要領(lǐng)域之一1－3。由于其具有高的比表面積、納米尺寸的規(guī)整孔結(jié)構(gòu)、豐富可調(diào)的骨架組成和表面性質(zhì)，介孔材料為實(shí)現(xiàn)大分子的擴(kuò)散與轉(zhuǎn)化、能量的高效利用與儲(chǔ)存等提供了難得的機(jī)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(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景4－6。其中，通過在介孔材料的孔道或孔墻內(nèi)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(jié)構(gòu)，以獲得獨(dú)特功能，已成為目前材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一2,3。盡管目前科學(xué)家已經(jīng)將某些離子、有機(jī)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(xué)活性材料直接摻雜到有序介孔框架中仍然是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。

圖1　介孔材料自嵌入超組裝策略9

最近，復(fù)旦大學(xué)趙東元院士領(lǐng)銜的科研團(tuán)隊(duì)在Nature Chem istry上發(fā)表的研究論文報(bào)道了他們?cè)谛滦陀行?、光電功能介孔材料組裝方面取得的重要進(jìn)展9。他們發(fā)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(diǎn)直接嵌入到了介孔骨架，獲得了有序復(fù)合介孔光電子材料。該類石墨化納米點(diǎn)利用普通鉛筆芯通過電化學(xué)方法制備而成，簡單易得，并可通過氮摻雜進(jìn)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(wěn)定性等多種優(yōu)異性質(zhì)。超小尺度、氮摻雜的的石墨化納米點(diǎn)與介孔材料的有機(jī)分子前驅(qū)體、表面活性劑之間存在著強(qiáng)相互作用，這是該團(tuán)隊(duì)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(fù)合物、二氧化鈦等)中嵌入氮摻雜的石墨化納米點(diǎn)的重要原因(圖1b)。重要的是，所合成的有序復(fù)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(wěn)定性等優(yōu)越性能，而且還因氮摻雜石墨化納米點(diǎn)的引入擁有了具有高效光電轉(zhuǎn)化功能的有機(jī)介孔骨架，理論計(jì)算也證明了該氮摻雜的石墨化納米點(diǎn)可有效地將光生電子向介孔材料(如二氧化鈦)轉(zhuǎn)移。因兼具介孔材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和高光電活性界面，所合成的復(fù)合介孔材料有著常規(guī)介孔材料無法媲美的優(yōu)越發(fā)光和可見光分解水制氫性能。

該團(tuán)隊(duì)所發(fā)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(shí)現(xiàn)了弱的非共價(jià)鍵(如氫鍵、范德華力和電價(jià)鍵)驅(qū)動(dòng)的有序結(jié)構(gòu)的自組裝，同時(shí)極大地降低了組裝過程中引入外源材料產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)對(duì)前驅(qū)體的影響，具有廣闊的理論示范和應(yīng)用前景。

References

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10.3866/PKU.WHXB201602191