像塑料、合成纤维等高分子是非常有用的科技产品，为日常生活和工业发展带来了极大的方便。如今，一个来自新加坡国立大学（NUS）的研究团队通过合成一种新型的二维石墨烯样高分子片层材料，成功地进一步推动了高分子材料的应用，相关研究成果发表在Nature Chemistry上。
“过去一个世纪以来，科学家们已经成功开发出了可以交联形成一维和三维高分子的分子，已经被用于生产一系列科技产品。但是很少有人成功制成二维高分子，因为大多数分子并不平整，在水中会旋转，因此难以控制它们的交联以形成二维高分子。”NUS先进二维材料中心二维材料研究项目组组长Loh Kian Ping教授说道，同时他还在NUS理学院化学系任职。
Liu Wei是该研究的第一作者，他补充说：“我们的团队成功开发了一种制备二维高分子片层材料的策略，我们先将平面分子处理成晶体状态，然后再进行固态聚合。这种方法限制了分子的旋转，从而发生二维聚合形成碳-碳键。”Liu是NUS化学系及综合科学和工程研究生院博士研究生。
▲ NUS博士研究生Liu Wei（图片来源NUS）
这种新型高分子片层材料非常独特，因为它们高度规整，兼具良好的导电性，同时由于材料具有亚纳米尺寸的小孔，因此可以用于钠离子电池的电极材料安全高效地储存钠离子。钠离子电池是一种可充电金属-离子电池，由于钠离子比较丰富，因此和锂离子电池相比，钠离子电池成本更低，但是存在的缺点就是持续时间较短。而Loh教授及其研究团队开发出的这种新型二维高分子能够以较低的成本量产用作电极材料，因此可以让钠离子电池性能更优，可以充放电数千个循环。
▲ 金表面单层键合芳香族聚合物的STM表征（图片来源Nat Chem）
制备二维高分子有何挑战？
当石墨烯10多年前首次从石墨中剥取出来的时候，它被认为是一种极好的材料，因此大量研究人员蜂拥而上研究石墨烯，这也使得二维材料成为了一个新领域，并激起了通过有机合成的方法合成二维高分子的兴趣。但是迄今为止，构建具有较强键合作用的稳定二维高分子材料仍然是合成化学领域一个极大的挑战。
Loh教授解释道：“由于反应不可逆，因此合成基于碳-碳键的二维高分子非常困难。一旦有化学键发生错误，那么就会被锁住并无法修复。”也是受到这一性质的启发，Loh教授及其团队开始使用碳-碳键制备二维高分子材料，因为碳-碳键是自然界最稳定的键，可用于恶劣的环境中，可在水中保持稳定、耐酸、耐热等。
合理的设计，漂亮的结果
LoH教授和Liu使用的基本结构单元是包含几个芳香环的平面分子，由于芳香环结构中的电子可以移动，因此高分子的电学导电性能较佳，而这对电池电极材料至关重要。研究人员以此设计的芳香环单体可以形成有序结构，而选择平面分子则使交联成为二维结构的概率最大化。
在实验过程中，研究人员发现通过给预先包装好的平面分子加热可以使之形成二维晶体高分子，这种二维高分子晶体具有规律的孔隙，钠离子可以从中进出以用于能量储存。使用胶布进行剥取，可以得到厚度低于1nm的超薄片层材料。
Loh说道：“与常规方法不同的是，我们的方法仅涉及热处理，不使用任何溶剂、引发剂及催化剂。因此可以大量生产这种二维高分子，同时成本较低，与目前大量生产塑料的成本相当。同时由于碳材料的惰性，该材料是更安全的钠离子储存材料。”
NUS团队开发出的这种新型多孔、钠离子储存能力优异的二维高分子材料为该领域带来了新机遇，可能由此衍生出一个新的晶体工程学科分支。在接下来的工作中，Loh及其团队将使用先进的计算机技术设计其他种类的分子构造元件，通过固态聚合合成其他新型的二维高分子材料。
参考文献：Wei Liu et al. Atwo-dimensional conjugated aromatic polymer via C–C coupling reaction, NatureChemistry (2017). DOI: 10.1038/nchem.2696
来源：高分子科学前沿 瀚海来稿
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