JACS :赵东元院士——溶剂限制下水热诱导产生单组分胶束制备均匀有序的二维介孔TiO2纳米片

【引言】

二维材料，是指电子仅可在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，如纳米薄膜、超晶格、量子阱。以石墨烯为代表，二维材料因其有意的物化性能得到广泛关注和应用。二维孔材料却鲜有报道，可见其制备难度。该研究成功制备出均一厚度有序介孔的二氧化钛薄片。

【成果简介】

近日，复旦大学先进材料实验室主任赵东元院士（通讯作者）在JACS上发表了题为“Uniform Ordered Two-Dimensional Mesoporous TiO2 Nanosheets from Hydrothermal-Induced Solvent-Confined Monomicelle Assembly”的研究工作。该工作第一次以水热诱导溶剂限制组装法制备出了单层二维有序介孔TiO₂纳米片，并可精确控制纳米片厚度（5.5 ~ 27.6 nm）。应用于钠离子电池正极展现出优异性能。

【图文导读】

图一. 单层二维介孔TiO₂纳米片SEM表征

图二. 单层二维介孔TiO₂纳米片形态表征

a-c. 不同放大倍数下TEM表征；

d. 高角度环形暗场探测器扫描透射电子显微镜表征；

e. 原子力显微镜表征及纳米片厚度测量；

f. 高分辨透射显微镜表征及选区电子衍射（内置小图）。

图三. 单层二维介孔TiO₂纳米片结构及物性表征

a. XRD表征；

b,c. 比表面分析及孔径分布；

d,e,f. 纳米片内部O 1s, Ti 2p 和 C 1s的XPS分析。

图四. 制备单层二维介孔TiO₂纳米片示意图

图五. 在钠离子电池中单层二维介孔TiO₂纳米片的电化学性能

【小结】

这种受限二维组装技术提供了一种利用溶液中物质见得内在相互作用进行材料的形态控制的可行性办法。并可制备一系列类似结构的材料如ZrO₂, SnO₂, Al₂O₃。

团队工作汇总：

 通过单胶束组装，合成制备了一系列介孔二氧化钛材料。

利用溶剂挥发诱导定向组装法，梯度挥发四氢呋喃及水溶剂，得到单胶束并诱导聚集组装成胶束球。在反应过程中，氧化钛前驱体原位晶化，由中心向外外延生长并迫使球形胶束融合成棒状胶束，形成具有三维发散孔道及类单晶孔壁的介孔二氧化钛微球，其染料敏化太阳能电池效率高达12.1%。

利用溶剂挥发诱导组装，合成均匀米粒状介晶二氧化钛。并且在真空高温条件下该晶粒可全部转变成二维单晶氧化钛纳米片，其染料敏化太阳能电池效率高达11.6%。

利用反相光子晶体限域组装法，将梯度挥发诱导单胶束在限域空间生长，合成了具有发散孔道和类单晶孔壁的介孔二氧化钛三维多级结构。该结构复制了密堆积三维光子晶体结构，由中心一个实心球和周围十二个半球组成。另外通过控制反应聚集液滴大小，即可得到更为复杂的多级结构：中心十三个实心球，周围四十四个半球组成。更重要的是，该多级结构具有全部连通的孔道，可作为优异的催化载体，应用于金负载炔烃部分加氢反应，具有超高的反应活性和选择性。

文献推荐：

Yong Liu, Renchao Che, Gang Chen, Jianwei Fan, Zhenkun Sun, Zhangxiong Wu, Minghong Wang, Bin Li, Jing Wei, Yong Wei, Geng Wang, Guozhen Guan, Ahmed A. Elzatahry, Abdulaziz A. Bagabas, Abdullah M. Al-Enizi, Yonghui Deng, Huisheng Peng, Dongyuan Zhao*, Sci. Adv., 2015, 1, e1500166.

标题：Radially Oriented Mesoporous TiO2 Microspheres with Single-Crystal–Like Anatase Walls for High-Efficiency Optoelectronic Devices

Yong Liu, Yongfeng Luo, Ahmed A. Elzatahry, Wei Luo, Renchao Che, Jianwei Fan, Kun Lan, Abdullah M. Al-Enizi, Zhenkun Sun, Bin Li, Zhengwang Liu, Dengke Shen, Yun Ling, Chun Wang, Jingxiu Wang, Wenjun Gao, Chi Yao, Kaiping Yuan, Huisheng Peng, Yun Tang, Yonghui Deng, Gengfeng Zheng, Gang Zhou, and Dongyuan Zhao*, ACS Cent. Sci., 2015, 1, 400–408.

标题：Mesoporous TiO2 Mesocrystals: Remarkable Defects-Induced Crystallite-Interface Reactivity and Their in Situ Conversion to Single Crystals

Yong Liu, Kun Lan, Shushuang Li, Yongmei Liu, Biao Kong, Geng Wang, Pengfei Zhang, Ruicong Wang, Haili He, Yun Ling, Abdullah M. Al-Enizi, Ahmed A. Elzatahry, Yong Cao, Gang Chen, Dongyuan Zhao*, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 517–526.

标题：Constructing Three-Dimensional Mesoporous Bouquet-Posy-Like TiO2 Superstructures with Radially Oriented Mesochannels and Single-crystal Walls

文献链接：Uniform Ordered Two-Dimensional Mesoporous TiO2 Nanosheets from Hydrothermal-Induced Solvent-Confined Monomicelle Assembly（JACS, 2018 DOI: 10.1021/jacs.8b00909）

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