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石墨烯的分离引发了科研工作者对二维材料广泛的研究兴趣。二维材料具有独特的结构和优越的理化性能,在催化、储能、光电、传感和生物等领域显示出了潜在的应用前景。尽管二维材料的制备和表征取得了重大进展,但有机二维材料的合成仍是具有挑战性的难题。相对于二维COF、MOF,传统聚合物链不采用分层结构,其单体也缺乏必要的拓扑对称性,因此,传统聚合物二维材料的制备受到了极大的限制。 在传统聚合物合成中,所得聚合物的维度可以通过反应环境来调控,例如,在乳液聚合中,用于包覆单体的胶束是球形或者棒状时,所得聚合物为零维的颗粒状或一维的棒状;在界面聚合中,所得材料为二维聚合物薄膜。受上述聚合物维度控制方法的启发,天津工业大学耿建新教授团队设计了一种利用冰为模版,在冰晶边界的缝隙内进行限域聚合,生成聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)二维片层的方法,并对该二维片层在储能领域的应用进行探究。
该限域聚合的关键步骤是通过十二烷基硫酸钠(SDS)胶束对3,4-乙烯二氧噻吩(EDOT)单体的包覆来实现油溶性单体在水中的分散;在分散体系冷冻的过程中,EDOT及水相中的氧化剂被“挤压”到了冰晶的边界处,进而通过低温下EDOT的氧化聚合,得到了PEDOT的二维片层。研究发现,所提PEDOT二维片层的形貌和结构与SDS胶束的形貌及单体负载量相关,提出了熵驱动影响聚合物二维片层材料形貌和结晶度的机制。同时,作者实现了该方法的放大制备,为大规模制备及其他共轭聚合物二维材料的制备奠定了基础。 PEDOT二维片层表现出良好的稳定性,其独特的形貌也为离子传输奠定了良好的通道。因此,使用该材料制备的超级电容器表现出突出的比电容(在0.2 mA cm-2电流密度下,面积比电容高达898 mF cm-2),优异的倍率性能(电流密度提高50倍后,比电容保持率为67.6%)和出色的循环稳定性(在30000次循环后比电容保持率为98.5%)。此外,通过运用有机系电解液和组装非对称电容器,实现了器件电压窗口、面积比电容、面积功率和能量密度的增大。该工作为聚合物二维材料的制备和在储能领域的应用提供了新思路。 论文信息 A Space-Confined Polymerization Templated by Ice Enables Large-Scale Synthesis of Two-Dimensional Polymer Sheets Xiaomeng Peng, Jie Zhang, Ji Zhou, Shang Chen, Yuncan Jia, Xinyi Han, Xiaodong Meng, Christopher W. Bielawski, Jianxin Geng Angewandte Chemie International Edition


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