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西湖大學徐宇曦團隊 Chem. Soc. Rev. 綜述：二維高分子的最新進展—合成、組裝及能源相關應用

2024-01-18 來源：高分子科技

二維高分子（two-dimensional polymers，2DPs）是一類由結構單元通過共價鍵連接的具有結構單元厚度和周期性有序網絡的平面片狀高分子，其有效結合了二維材料和高分子的固有特性，可以通過單體選擇、反應條件調控與反應路線設計等方面從分子層面精確實現2DPs的結構調控和功能化。2DPs作為一種新的材料形態，在物理、化學、材料科學等領域具有廣闊的遠景和前途，對其進行研究不僅能夠探索新型材料的特點和優勢，也具有很高的學術價值和實用意義。近日，西湖大學徐宇曦團隊在《Chemical Society Reviews》上發表了題為《Recent advances in two-dimensional polymers: Synthesis, assembly and energy-related applications》的邀請綜述，任玉美博士為第一作者，徐宇曦研究員為通訊作者。

圖1. 二維高分子的制備、加工和應用。

本綜述的總體目的是闡述2DPs的設計合成、組裝加工及其在能源相關領域的應用。作者首先梳理了2DPs的歷史發展過程并介紹了其優點，重點闡述了2DPs獨特的二維特征以及多樣化的拓撲結構，總結了制備2DPs的各種“自上而下”和“自下而上”的典型方法，探討了2DPs的組裝復合和加工策略，揭示其可加工性對實際應用的重要性，并對2DPs的系列表征手段以及在電池、超級電容器、電催化和光催化等能源存儲與轉換方面的高效應用進行了詳細論述。

2DPs作為高分子領域的“新星”材料，集成了二維材料和高分子的優勢。由于其獨特的結構特征，與傳統的一維線性和三維交聯高分子相比，2DPs表現出許多新奇的性質。而且，與其他二維材料所不同的是，2DPs的概念更加強調其高分子的屬性。由于2DPs兼具了高分子的特點，使得其設計和合成的方式層出不窮。特別是具有原子級厚度的超薄2DPs，其極大的比表面積、精準可調節的孔結構、豐富且充分暴露的活性位點、獨特的電子結構和優異的加工性等優勢使得其在能量存儲與轉換領域極具潛力。薄層2DPs的研究不僅拓寬了高分子和低維材料的傳統概念，而且還為高分子引入了許多特殊的性質。此外，2DPs的結構、形貌、力學和電學性能方面的常用表征手技術也推動了高分子學科的持續進步和發展。

論文最后對2DPs提出展望：（1）探索合成更多新結構和組成的2DPs。（2）尺寸均一、原子結構有序、大面積的單層或少層的2DPs仍極具挑戰性。（3）大規模制備高結晶乃至單晶2DPs是未來研究的重點。（4）組裝加工性能是制備有序高性能材料的必要手段，需要大力發展。（5）能源相關領域應用范圍有待擴大，性能有待進一步提升，針對其應用獨特性的更為深入本質的研究亟待開展。（6）開發更為先進直觀的原位表征技術和更加貼合實際的理論模擬方式。

徐宇曦課題組近年來圍繞二位功能高分子的精準宏量制備、可控組裝加工及其在儲能、催化、環境的高效應用開展了系列工作（J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11666; Adv. Mater. 2017,?29, 1703324; Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15677; Adv. Mater. 2018,?30,?1705401; Adv. Mater. 2018,?30, 1800838; Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 8247; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24915; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25381; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202113926; Angew. Chem. Int. Ed. 2022, 61, e202203327; J. Am. Chem. Soc. 2023,?145, 12745; J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 25222; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202301865; CCS Chem. 2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202303111; J. Am. Chem. Soc. 2023, DOI: 10.1021/jacs.3c10312; Angew. Chem. Int. Ed. 2023, DOI:10.1002/anie.202317664），并初步實現了二維三嗪高分子材料的產業化應用。

論文鏈接：

Yumei Ren, Yuxi Xu*. Recent advances in two-dimensional polymers: Synthesis, assembly and energy-related applications, Chemical Society Reviews, 2024, DOI: 10.1039/d3cs00782k.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2024/cs/d3cs00782k

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（責任編輯：xu）

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