多孔导电聚合物纳米结构材料的可控制备和应用的研究

　　诺贝尔化学奖得主白川英树、艾伦·黑格和艾伦·麦克迪尔米德发现经掺杂的聚乙炔具有高电导率（高达1000 S cm-1）后，打破了有机聚合物绝缘这一传统概念，开辟了导电聚合物的新时代。导电聚合物兼具传统聚合物的机械柔韧性及金属、半导体特有的光电性质，且其制备简易、电导率可调、电化学活性良好。相较于传统导电聚合物，具有纳米多孔结构的导电聚合物有着开放的孔道结构、更高的比表面积、更多的活性位点以及显著提高的电化学活性，因在众多领域中的性能表现优异而备受关注。

　　基于多孔导电聚合物纳米结构材料领域的研究进展，近日Advanced Materials在线刊登了华东师范大学刘少华研究员与澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授合作完成的关于多孔导电聚合物纳米结构材料的可控制备和应用的研究综述，题为“Nanoarchitectured Porous Conducting Polymers: From Controlled Synthesis to Advanced Applications”，文章综述了该领域近十年来的研究进展，重点讨论了多孔导电聚合物纳米结构材料的合成策略、结构（形貌、孔道结构）控制以及在能源储存于转换、传感以及生物医药等领域的潜在应用，并剖析目前研究存在的一些挑战及未来的发展前景。

　　【多孔导电聚合物纳米结构材料的可控合成策略】

　　该论文首先介绍和分析了纳米结构多孔导电聚合物有利的物理化学特性及独特的结构特征，并梳理了当前纳米结构多孔导电聚合物的合成策略，包括模板法（硬模板、软模板）和无模板法，以及各方法的主要特点。模板导向构筑法是利用模板的空间限域，调控制备过程中物理、化学反应来实现材料的可控制备。模板的合理选择和设计对于简易、高效实现导电聚合物微观形貌、孔道结构（形状、尺寸及分布）的精细控制具有重要意义。

　　图1 硬模板（SiO2）导向制备介孔聚吡咯/氧化石墨烯复合物（mPPy-GO）

　　图2 （a-b）两嵌段共聚物（PS-b-PEO）导向构筑介孔聚吡咯；（c-d）三嵌段共聚物P123导向构筑介孔聚吡咯、介孔聚苯胺。

　　无模板法规避了模板的使用，其孔道结构的引入来源于纳米级聚合物单元自身生长和聚集过程中自发产生的结构缺陷。因此，相较于模板法，无模板法制备多孔导电聚合物可控性较差。

　　【多孔导电聚合物纳米结构材料的应用】

　　导电聚合物因其自身具有独特的分子结构、优异的导电性、良好的氧化还原电化学性能，其次开放的多孔网络结构的引入有利于缩短传质路径，有效增大接触面积，暴露出更多的表面反应活性位点，因而在储能转换、传感等领域备受青睐。因此，该论文重点介绍了一系列具有代表性多孔导电聚合物纳米结构材料在电池、超级电容器、传感器及其他方向（如柔性电子、CO2吸附、生物医学、污染物去除等）的潜在应用，论述了材料结构与性能之间的关系，同时也指出了其应用所面临的的主要问题及挑战，为多孔导电聚合物纳米材料的发展提供有益参考。

　　图3 PDMS包覆的多孔PPy/GO多孔复合材料应用于无线供电可穿戴电子器件

　　【总结与展望】

　　迄今为止，基于有模板及无模板策略，多维度及不同孔道结构的多孔导电聚合物纳米结构材料的可控合成均及其前沿应用均得以实现及广泛开发，但仍还可在以下方面做出进一步努力：

　　1.导电聚合物合成中对组成、形貌、结构的精确控制是实现优异性能的重要因素，开发新模板、新组装策略或进一步原子、分子水平的设计，以实现导电聚合物新型纳米结构（如：贯通的有序多孔结构）的构筑和多样化功能定制将尤为重要。

　　2.导电聚合物线性聚合生长过程中链的缠绕不利于发挥共轭结构的巨大优势，控制线性聚合物链缠绕，实现高分子链有序排列的多孔导电聚合物晶体以推进高性能多孔导电聚合物的开发或将是另一巨大挑战。

　　3.虽然多孔导电聚合物在很多领域都展现出巨大优势，但其大规模简易和可控制备，及其实际应用的扩展等方向也充满挑战。

　　该论文得到了国家自然科学基金（项目号：51773062和 61831021）等项目的支持，华东师范大学为该论文的第一单位及通讯单位。