Nature Communications｜寧波材料所在sp2碳共軛二維聚合物薄膜精準(zhǔn)構(gòu)筑及海洋鹽差能收集方面取得重要進(jìn)展
共軛二維聚合物是一類由重復(fù)單元通過(guò)共價(jià)鍵連接、形成二維擴(kuò)展結(jié)構(gòu)的多孔晶體材料。傳統(tǒng)的界面合成策略，如基于動(dòng)態(tài)共價(jià)化學(xué)（如C=N鍵）的方法，能夠在溫和反應(yīng)條件下實(shí)現(xiàn)大面積晶態(tài)共軛二維聚合物薄膜的可控構(gòu)筑。然而，動(dòng)態(tài)C=N共價(jià)鍵固有的低化學(xué)穩(wěn)定性和受限的π電子離域特性，限制了這些材料在功能膜和有機(jī)電子等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。
相比之下，以碳碳雙鍵（C=C）橋接的sp2碳共軛二維聚合物，由于其較為剛性的骨架結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性和平面擴(kuò)展的π共軛體系，在膜分離、能量轉(zhuǎn)換和有機(jī)電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，C=C鍵的高成鍵能壘和低可逆性，使得sp2碳共軛二維聚合物薄膜的合成變得困難，難以基于現(xiàn)有的界面合成策略實(shí)現(xiàn)晶態(tài)薄膜的精準(zhǔn)構(gòu)筑。
為克服C=C鍵成鍵能壘高、可逆性低的問(wèn)題，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所界面功能高分子材料團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了兩親性吡啶輔助的界面羥醛縮合策略。該策略利用吡啶基單體在空氣/水界面進(jìn)行有序組裝，所形成的自組裝單分子層能夠提高界面反應(yīng)活性，從而在溫和條件下實(shí)現(xiàn)了晶態(tài)單層及多層sp2碳共軛二維聚合物薄膜的可控制備。近日，該研究成果以“Synthesis of crystalline two-dimensional conjugated polymers through irreversible chemistry under mild conditions”為題（DOI: 10.1038/s41467-025-57612-0）發(fā)表在國(guó)際期刊Nature Communications。
該工作基于烷基季銨化反應(yīng)設(shè)計(jì)并合成了多種兩親性吡啶基單體（圖1），利用兩親性單體在水相界面自組裝形成具有高反應(yīng)活性的單分子層，隨后通過(guò)原位羥醛縮合反應(yīng)構(gòu)筑多種晶態(tài)薄膜。所制備的薄膜具有連續(xù)均勻的形貌以及長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，并且擁有高度穩(wěn)定的陽(yáng)離子骨架和單層到多層可調(diào)的厚度。以上優(yōu)勢(shì)使得該類薄膜材料在海洋鹽差能轉(zhuǎn)換中具有巨大的應(yīng)用潛力。在海洋滲透發(fā)電裝置中，該薄膜在苛刻條件（pH=3.5）下表現(xiàn)出優(yōu)異陽(yáng)離子選擇（S=0.68）及高的輸出功率密度（51.4 W m?2）。這項(xiàng)工作為sp2碳共軛二維聚合物薄膜的可控合成提供了一種新方法，從而為二維共軛聚合物新材料的研發(fā)及其在功能膜與有機(jī)電子等領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
寧波材料所張濤研究員、德國(guó)馬普微結(jié)構(gòu)物理研究所馮新亮教授為論文共同通訊作者，寧波材料所博士后楊浩永為論文第一作者。該工作獲得國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金、浙江省杰出青年基金延續(xù)項(xiàng)目、寧波市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目的資助。
圖1 兩親性吡啶輔助界面羥醛縮合策略示意圖
（海洋關(guān)鍵材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
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