復旦汪長春課題組結合理論計算可控合成二維多孔碳材料

製備類石墨烯的二維碳材料一直是合成化學領域的難點，相比於通過機械或化學剝離石墨的方法，「自下而上」的合成會使石墨化的二維碳材料具有較少的結構缺陷和豐富多樣的化學功能。以稠環芳烴小分子為前驅體進行高溫熱解，可以實現二維碳材料的大量製備，並且前驅體的多樣化也會導致材料有不同的性質和功能。採用芳基偶聯的多孔有機聚合物作為高溫熱解的前驅體，可以顯著提高二維碳材料的比表面積，調節多孔性質，然而高溫熱解過程中會產生較為複雜的石墨烯單元組份，因此直接將稠環芳烴分子偶聯成類石墨烯的二維碳材料將有利於化學組成的確定，從而建立構效關係來優化使用性能。但是，較大分子尺寸的稠環芳烴相互作用較強，常常需要引入共聚單體來改變聚合物的拓撲結構，從而獲得優異的多孔性，但是這樣就較難獲得二維形態和尺寸的類石墨烯碳材料。

為了解決這一難題，復旦大學汪長春課題組郭佳副教授等人和泰國國家納米中心Supawadee Namuangruk研究員、清邁大學Nawee Kungwan教授、山西大學李娟博士合作，利用理論計算模擬和實驗相結合的方式，證明了一種氮雜稠環芳烴分子能夠直接通過固相的離子熱脫氫反應，製備高比表面積的二維片層材料。以平面結構D3h點群對稱小分子5,6,11,12,17,18-hexaazatrinaphthylene (HATNA)為單體，混合AlCl3鹽，在封管中進行離子熱氛圍的脫氫聚合反應。AlCl3不僅作為離子型溶劑，而且與HATNA配位改變了相鄰苯環上碳原子的電子分布，有利於苯環之間的脫氫偶聯反應，同時這種配位結構也改變了HATNA分子的芳香性，使得分子在平面內彎曲，金屬離子的嵌入增大了二維片層間的距離，從而進一步削弱了層間的π-π相互作用，獲得了「自隔離」的效果。通過表徵分析證明了所獲得的二維框架確實具有自隔離的片層形貌，AFM顯示單層厚度約為1 nm；同時獲得了比石墨烯類材料更大的比表面積，優化的BET比表面積為～1500 m2/g，孔徑分布在微孔區間。所合成的材料在無水質子傳導和CO2吸附與轉化方面都顯示出了良好的性能。將H2SO4分子固定在納米片層材料上，可在高溫無水條件下展現出較高的質子傳導率（2.49×10-4 S/cm, 120℃）和較低的活化能（0.187 eV）。用該材料與四丁基溴化銨共同催化CO2與環氧丙烷的加成反應，可以高選擇性的得到環狀碳酸酯小分子，其TOF數值高達2057 h-1（100℃，CO2壓力3 MPa），是目前對於相同反應的非均相催化體系中獲得的最高效率之一。該成果提供了一種基於多孔有機高分子的合成策略來製備類石墨烯二維碳材料的新思路，開拓了此類材料多樣化合成的前景。

該論文發表在國際重要材料化學期刊Chemistry of Materials，第一作者為碩士生袁富裕，通訊作者為郭佳副教授和Supawadee Namuangruk研究員。

原文詳見：Fuyu Yuan, Juan Li, Supawadee Namuangruk*, Nawee Kungwan, Jia Guo*, Changchun Wang, Microporous, Self-Segregated, Graphenal Polymer Nanosheets Prepared by Dehydrogenative Condensation of Aza-PAHs Building Blocks in the Solid State, Chem. Mater., 2017, DOI: 10.1021/acs.chemmater.7b00353

文獻鏈接：

http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.7b00353

來源：復旦大學高分子科學系

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