一、研究背景

近年來，由於導電聚合物在發光二極體（LED）、薄膜電晶體、太陽能電池、電池和超級電容器等領域顯示出廣泛的應用， 引起了人們對其極大的興趣。各種奈米結構展現出獨特的電學、力學和光學性質，如2D材料石墨烯具有高電子遷移率和高剛度。已經研發出各種合成技術，以生產效能優異的導電聚合物的各種奈米結構。然而，目前所開發的用於製備2D奈米片的方法（包括電子束蒸發、蒸汽-液體-固體生長等）要麼技術複雜、要麼成本昂貴，迄今為止還沒有構建2D和3D材料或其複合材料的全面方法。

二、研究成果

納扎爾巴耶夫大

學Nurxat Nuraje、Salimgerey Adilov，俄羅斯人民友誼大學Rafael Luque

合作報道了

一種前所未有、簡單且可擴充套件的合成方案，用於在雙連續微乳液系統中透過介面操縱設計2D、3D和相關導電聚合物奈米複合材料。

該方法使用不同的油和水的雙連續薄層來生產導電聚合物的2D奈米片。設計了四種不同的反應器，包括純、非離子、陽離子和陰離子介面，以調整導電聚合物奈米片的形態和效能，氧化劑與單體的比例是控制形態的關鍵引數。

為了製備3D聚吡咯（PPY）及其複合材料，使用特殊設計的單體連線劑來鎖定導電聚合物及其複合材料的3D網路。連線體的長度是控制導電聚合物網路的電和機械效能的另一個關鍵引數。該技術可以擴充套件到大多數導電聚合物複合材料的製造，具有價效比高且易於規模化生產。設計的2D PPY奈米片的最佳電導率為219 S cm

−1

，迄今為止，此類先進材料的導電率最高。

相關研究工作以“Strategic Synthesis of 2D and 3D Conducting Polymers and Derived Nanocomposites”為題發表在國際頂級期刊《Advanced Materials》上。

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三、圖文速遞

設計特殊的雙連續反應器系統是合成2D、3D導電聚合物及其複合材料的主要策略。其中，雙連續反應器系統中的薄層介面是控制導電聚合物材料（包括電氣、機械和結構）形態和效能的主要平臺。調整導電聚合物奈米結構的關鍵引數包括單體和氧化劑的比例、介面厚度和電荷規則性、氧化劑的性質和摻雜元素。此外，發現單體、連線體和氧化劑比率是控制導電聚合物3D奈米結構形態的關鍵因素。

圖1。 導電聚合物製造的示意圖

圖2。 單體與氧化劑的比例對PPY 2D奈米結構形成的影響

在導電聚合物（PPY）奈米結構的合成中，介面是操縱導電聚合物奈米結構形成的主要驅動力。本研究中選擇了四種不同的介面：純油/水介面、非離子介面、陽離子介面和陰離子介面，以研究PPY奈米結構的形成。表面活性劑在雙連續薄層體系中的作用是在水層和油層之間產生均勻的介面差異。除了陰離子介面外，其他三個介面都能夠在最佳條件下生成PPY的2D奈米片。這可以透過改變反應器的組成來控制，其中油水比起著至關重要的作用。層厚度取決於系統中的油和水的量。

圖3。 不同油/水/表面活性劑比例下PPY導電奈米片的層狀結構

圖4。 不同方法制備的PPY奈米片的SEM影象

圖5。 具有可變油水比的所有介面和非離子介面反應器的電導率

研究者透過四種不同介面的反應器的特殊設計來控制合成材料的電效能。最高電導率為219 S cm

−1

，由純介面反應器系統（DCM系統）製造的奈米片獲得，這是由於沒有介面阻擋層和摻雜劑容易輸送到聚合物基質第二高電導率，144。9 S cm

−1

，是透過非離子介面在最佳油水比（50/10wt%）下獲得，因為它不干擾摻雜分子的傳輸。此外，由於2D導電聚合物的均勻性和相對較低的厚度，單體和氧化劑之間的比率是影響2D導電聚合物電效能的另一個重要引數。電導率範圍取決於2D導電聚合物的均勻性。在陽離子和陰離子介面的情況下，合成材料的形態更加多孔且不均勻，這增加了顆粒之間的距離，導致電導率降低。透過純介面和中性介面獲得的2D PPY奈米片的電導率，比迄今報道的2D導電聚合物的資料高十倍。控制介面和摻雜，可以有效地微調導電聚合物的電效能。

圖6。 2D PPY純奈米片（a）和3D PPY材料（b–d）的SEM影象和圖解

圖7。 PPY奈米複合材料中CDs的熒光猝滅和再活化分析

四、結論與展望

本研究首次為2D和3D導電聚合物及其奈米複合材料的設計開發了一種通用、簡單和可擴充套件的合成策略。該製備技術基於四種不同的介面雙連續反應器，包括純、非離子、陽離子和陰離子介面。發現介面的性質、薄層介面的厚度、單體/氧化劑的比率（及單體、連線劑和氧化劑之間的比率）以及摻雜水平是控制導電聚合物材料的形貌和電效能的關鍵引數。與陽離子、非離子和陰離子等介面相比，不存在分子層的純介面提供相對較厚的2D奈米片。由純介面雙連續系統設計的2D奈米片獲得的電導率在四種不同系統中最高，顯著高於文獻報道的2D導電聚合物的值。在包含特殊連線劑的雙連續反應器系統中，設計併成功製備了3D PPY材料。在奈米複合材料的合成中，將功能分散相材料加入到單體和連線體的混合物中。該研究所提出的方法有可能為設計先進的導電聚合物及其2D、3D和奈米複合材料鋪平道路，並具有擴大生產的前景。

文獻連結：

https：//doi。org/10。1002/adma。202208864