吉林大學喬振安教授Angew:大規模無溶劑方法合成介孔金屬氧化物

2020-11-25 騰訊網

註：文末有研究團隊簡介及本文科研思路分析

研究背景

介孔金屬氧化物憑藉其超高的高的比表面積、非常大的孔容、均一可調的孔尺寸以及獨特的孔道結構等本徵屬，在能源存儲與轉換、傳感、催化等領域有著廣泛的應用。目前合成介孔金屬氧化物主要局限於溶劑誘導的無機-有機自組裝過程，導致合成成本高昂並且產量較低，極大地限制了介孔金屬氧化物的工業化應用。因此，開發一種大規模生產介孔金屬氧化物的方法對相關的科學研究和工業應用有著至關重要的作用。

成果簡介

近日，吉林大學的喬振安團隊在此領域取得了新的突破。該課題組使用陽離子聚合物聚乙烯亞胺作為造孔劑和穩定劑，醋酸作為絡合劑，金屬醇鹽作為金屬氧化物前驅體，開發了一種大規模的無溶劑自組裝策略成功的製備了一系列高度結晶的介孔金屬氧化物，包括單組份介孔金屬氧化物（例如，TiO2、Nb2O5、Ta2O5、Al2O3、HfO2、ZrO2和SiO2）和多組分的介孔金屬氧化物，例如摻雜的介孔金屬氧化物（yNb摻雜的TiO2）、複合的介孔金屬氧化物（Nb2O5-TiO2複合物）和多元金屬氧化物（TiNb2O7）。這一成果近期發表在國際頂級期刊Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是吉林大學博士研究生熊海龍，通訊作者為吉林大學喬振安教授。

相比於傳統的無機-有機自組裝過程，該方法不需要任何溶劑，不僅極大地降低了環境汙染而且節約了生產成本和能耗。憑藉簡單的合成過程和短的合成周期，該方法實現了規模化生產，為介孔金屬氧化物的工業化應用奠定了基礎。

圖1. 無溶劑自組裝法合成介孔金屬氧化物的示意圖。

文獻連結：

Solvent-Free Self-Assembly for Scalable Preparation of Highly Crystalline Mesoporous Metal Oxides

Hailong Xiong, Hongru Zhou, Ge Sun, Zhilin Liu, Liangliang Zhang, Ling Zhang, Fei Du, Zhen-An Qiao, Sheng Dai

Angew. Chem. Int. Ed.,2020, DOI: 10.1002/anie.202002051

喬振安教授課題組簡介

2015年秋季，喬振安博士以全職教授回到母校吉林大學化學學院，在無機合成與製備化學國家重點實驗室建立並領導獨立課題組。喬振安博士長期從事新型功能介孔材料的設計合成及其性能研究。以功能為導向，圍繞多孔材料合成方法學的關鍵科學問題，設計並精準合成新型多功能多孔材料，開發該系列材料在催化、吸附、能源存儲與轉化等領域的應用，取得了一系列開創性的科研成果。典型例子包括新型多孔催化劑（Adv. Mater.,2019,31, 1806254;J. Am. Chem. Soc.,2014,136, 11260;Chem. Mater.,2017,29, 4044;Chem. Mater.,2018, 30, 8579，），多孔材料用於能源轉化與存儲（Adv. Mater.,2019,31, 1807876；Adv. Energy Mater.,2019,9, 1901634;Adv. Sci.,2019,6, 1801543;Nano-Micro Lett.,2020,12, 14;ACS Appl. Nano Mater.,2019,2, 6, 3889；NPG Asia Mater.,2018,10, 800;Nano Lett.2013,13, 207），多孔材料用於吸附（Nat. Commun.2014,5, 3705；Angew. Chem. Int. Ed.2012,51, 2888；Adv. Mater.2012,24, 6017）。

科研思路分析

Q：這項研究最初是什麼目的？或者說想法是怎麼產生的？

A：如上所述，介孔金屬氧化物在眾多領域有著廣泛的應用前景。然而，由於金屬氧化物前驅體的水解聚合速率較快，通常需要使用大量的有機溶劑和酸鹼催化劑調控金屬氧化物前驅體的水解聚合過程，導致介孔金屬氧化物的合成成本高昂並且產量較低。該課題組為了實現介孔金屬氧化物的批量化生產，選用價格低廉的聚乙烯亞胺作為造孔劑，聚乙烯亞胺由於擁有豐富的氨基官能團，可以很容易的與金屬醇鹽通過氫鍵相互作用，因此，通過簡單的研磨工藝，即可完成金屬醇鹽和聚乙烯亞胺之間的自組裝過程。

Q：研究過程中遇到哪些挑戰？

A：該項研究中最大的挑戰是如何在研磨過程中實現金屬醇鹽和聚乙烯亞胺之間的均勻組裝，以獲得孔結構完整、具有優異性能的介孔金屬氧化物材料。在這個過程中，該課題組使用醋酸作為絡合劑，提供一種流體的環境，使金屬醇鹽和聚乙烯亞胺之間可以均勻的混合。

Q：該研究成果可能有哪些重要的應用？哪些領域的企業或研究機構可能從該成果中獲得幫助？

A：合成的介孔TiO2由於具有大的比表面積和高度晶化的孔壁，在鋰離子電池、光催化等領域中有著非常大的應用前景。該課題組也將會進一步的與企業合作，探索該類材料在室溫去除甲醛中的應用。其它的介孔金屬氧化物材料也有非常重要的應用，例如，介孔ZrO2和SiO2是性能優異的催化劑載體；介孔TiNb2O7是一種典型的鋰離子電池負極材料。

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