多孔導電聚合物納米結構材料的可控制備和應用的研究

　　諾貝爾化學獎得主白川英樹、艾倫·黑格和艾倫·麥克迪爾米德發現經摻雜的聚乙炔具有高電導率（高達1000 S cm-1）后，打破了有機聚合物絕緣這一傳統概念，開辟了導電聚合物的新時代。導電聚合物兼具傳統聚合物的機械柔韌性及金屬、半導體特有的光電性質，且其制備簡易、電導率可調、電化學活性良好。相較于傳統導電聚合物，具有納米多孔結構的導電聚合物有著開放的孔道結構、更高的比表面積、更多的活性位點以及顯著提高的電化學活性，因在眾多領域中的性能表現優異而備受關注。

　　基于多孔導電聚合物納米結構材料領域的研究進展，近日Advanced Materials在線刊登了華東師范大學劉少華研究員與澳大利亞昆士蘭大學Yusuke Yamauchi教授合作完成的關于多孔導電聚合物納米結構材料的可控制備和應用的研究綜述，題為“Nanoarchitectured Porous Conducting Polymers: From Controlled Synthesis to Advanced Applications”，文章綜述了該領域近十年來的研究進展，重點討論了多孔導電聚合物納米結構材料的合成策略、結構（形貌、孔道結構）控制以及在能源儲存于轉換、傳感以及生物醫藥等領域的潛在應用，并剖析目前研究存在的一些挑戰及未來的發展前景。

　　【多孔導電聚合物納米結構材料的可控合成策略】

　　該論文首先介紹和分析了納米結構多孔導電聚合物有利的物理化學特性及獨特的結構特征，并梳理了當前納米結構多孔導電聚合物的合成策略，包括模板法（硬模板、軟模板）和無模板法，以及各方法的主要特點。模板導向構筑法是利用模板的空間限域，調控制備過程中物理、化學反應來實現材料的可控制備。模板的合理選擇和設計對于簡易、高效實現導電聚合物微觀形貌、孔道結構（形狀、尺寸及分布）的精細控制具有重要意義。

　　圖1 硬模板（SiO2）導向制備介孔聚吡咯/氧化石墨烯復合物（mPPy-GO）

　　圖2 （a-b）兩嵌段共聚物（PS-b-PEO）導向構筑介孔聚吡咯；（c-d）三嵌段共聚物P123導向構筑介孔聚吡咯、介孔聚苯胺。

　　無模板法規避了模板的使用，其孔道結構的引入來源于納米級聚合物單元自身生長和聚集過程中自發產生的結構缺陷。因此，相較于模板法，無模板法制備多孔導電聚合物可控性較差。

　　【多孔導電聚合物納米結構材料的應用】

　　導電聚合物因其自身具有獨特的分子結構、優異的導電性、良好的氧化還原電化學性能，其次開放的多孔網絡結構的引入有利于縮短傳質路徑，有效增大接觸面積，暴露出更多的表面反應活性位點，因而在儲能轉換、傳感等領域備受青睞。因此，該論文重點介紹了一系列具有代表性多孔導電聚合物納米結構材料在電池、超級電容器、傳感器及其他方向（如柔性電子、CO2吸附、生物醫學、污染物去除等）的潛在應用，論述了材料結構與性能之間的關系，同時也指出了其應用所面臨的的主要問題及挑戰，為多孔導電聚合物納米材料的發展提供有益參考。

　　圖3 PDMS包覆的多孔PPy/GO多孔復合材料應用于無線供電可穿戴電子器件

　　【總結與展望】

　　迄今為止，基于有模板及無模板策略，多維度及不同孔道結構的多孔導電聚合物納米結構材料的可控合成均及其前沿應用均得以實現及廣泛開發，但仍還可在以下方面做出進一步努力：

　　1.導電聚合物合成中對組成、形貌、結構的精確控制是實現優異性能的重要因素，開發新模板、新組裝策略或進一步原子、分子水平的設計，以實現導電聚合物新型納米結構（如：貫通的有序多孔結構）的構筑和多樣化功能定制將尤為重要。

　　2.導電聚合物線性聚合生長過程中鏈的纏繞不利于發揮共軛結構的巨大優勢，控制線性聚合物鏈纏繞，實現高分子鏈有序排列的多孔導電聚合物晶體以推進高性能多孔導電聚合物的開發或將是另一巨大挑戰。

　　3.雖然多孔導電聚合物在很多領域都展現出巨大優勢，但其大規模簡易和可控制備，及其實際應用的擴展等方向也充滿挑戰。

　　該論文得到了國家自然科學基金（項目號：51773062和 61831021）等項目的支持，華東師范大學為該論文的第一單位及通訊單位。