介孔材料由于特殊的孔隙结构所带来的高效表面接触及快速传质等优势,已成为在诸如催化、生物、医学、能源应用等各学科领域备受关注的研究材料。介孔材料历经近三十年研究发展,许多介孔结构及组成相继报道,而对于介孔晶体材料如TiO2的控制合成至今仍十分具有挑战性,对微观、介观结构的控制调节更是鲜有报道,限制了介孔材料在光、电、传感、能源等领域的发展。
究其原因,晶态介孔材料的合成困难主要在于其金属源的过快水解及与模板剂的弱相互作用,使其难以与模板表面活性剂胶束的缓慢组装过程匹配。相比于反应性温和的氧化硅基、碳基介孔材料制备而言,在介孔晶体合成中原料、模板剂、添加剂、组装反应条件、后处理操作等都有了更多的限制,探究总结其自组装行为规律亦更加具有挑战。
近日,复旦大学赵东元院士团队,经多年研究探索,综述报道了基于单胶束组装的有序介孔TiO2晶体的控制合成,实现了一系列具有多样孔道及纳米结构的新型有序介孔氧化钛材料合成,并在能源存储与转换方面表现出优异的应用前景。 在该介孔氧化钛研究体系中,单胶束是指由模板剂/无机源在氢键、库仑力等范德华力相互作用下共同组成的最小的、构筑介孔结构的胶束单元。在该工作中,作者总结并提出了一种“单胶束组装”策略作为一种可靠有效的通用合成方法。通过配置具有不同沸点的双溶剂前驱液,在低温选择性挥发后得到由嵌段共聚物与钛低聚体组成的复合胶束单元,这种最小的单元既具有较为稳定的球形单胶束在后续组装中保证形成有序介观结构,又处于相对可流动状态利于精确控制。 基于单胶束组装基元,作者分别概述了结合采用限域合成与界面合成策略,实现了不同纳米结构的制备,如不同复杂形貌的三维发散介孔氧化钛晶体、超薄二维单层介孔氧化钛“单晶”片层及复合单层介孔结构。由于此类新型介观及微观结构的设计,在电化学储能、光催化等应用中均展现出优异的性能。该综述论文所提出的单胶束组装法为拓展有序介孔晶体材料合成提供了良好的方法,为开创高性能介孔材料及器件提供了解决方案。 论文信息 Versatile Syntheses of Mesoporous Crystalline TiO2 Materials from Mono-micelle Assembly Kun Lan, Qiulong Wei, and Dongyuan Zhao* Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202200777