石墨烯基二维多孔聚合物的可控制备及其在能源器件中的应用研究

Porous polymers, one of the most important categories in polymer field, have attracted great interest in recent years. The novel porous polymers with molecule-level pores have been synthesized by high efficient organic reactions based on small-molecule building blocks and they have drawn considerable attention of both scientists and engineers. Functionalized graphenes, with good compatibility with polymer materials, will be used as two-dimensional (2D) templates in preparation of new sandwich types of porous polymer composites and heteroatom-doped porous carbon nanosheets. A series of novel 2D porous polymers, with high specific surface areas, alternative monomers, and various functions, will be designed and synthesized. The corresponding carbon materials are expected to exhibit different porosity and components and offer a new inorganic template-free approach for 2D porous carbons. In comparison to the similar materials with different dimensions (0D, 1D and 3D) in the field of gas storage and separation or energy storage and conversion, the graphene-based sandwich-like porous polymer nanosheets would open new opportunities in the exploration of high-performance electrode materials for energy storage and conversion applications.

多孔聚合物作为一类重要高分子在近几年在高分子物理概念上得到拓展。多孔聚合物与传统无机多孔材料相比更注重分子级别的设计，利用传统高效率的有机反应，构筑分子尺寸的孔道，具有重要的科学价值和应用前景。本项目将针对现有多孔聚合物主要以无定型形式存在及应用主要集中在气体吸附的问题，采用模板法，发展具有二维形貌的多孔聚合物，开发相应的杂原子掺杂的二维多孔碳材料并研究其在能源存储与转化领域的应用。研究以功能化的石墨烯为核心的不同可控聚合方法，并选择与之相匹配的，具有特定结构的单体结构，充分发挥两者的协同作用，构建新型二维多孔聚合物材料；研究二维多孔碳材料的孔隙变化和结构组成，发展具备非无机模板制备二维多孔碳材料的可行路径。与其他维度（准零维、一维和三维）多孔材料进行对比，深入研究这类新型二维多孔材料的气体存储与分离性能、探索二维多孔碳材料在能源存储与转化中的潜在应用，为开发新型能源材料与器件提供新途径。

在该基金的大力支持下，项目负责人庄小东集中精力攻克石墨烯作为模板制备二维多孔聚合物的方法学，开发出一系列的三明治型二维多孔聚合物，如(1)石墨烯基二维共轭多孔聚合物、(2)石墨烯基二维超交联聚合物、(3)石墨烯基二维共价三氰框架材料、(4)硫化钼基共轭微孔聚合物等。并且，基于上述材料研究了(1)不同维度多孔聚合物的电荷转移行为、(2)不同多孔聚合物的孔径特征、(3)转化为二维多孔碳材料之后的导电性变化，等。基于所得到的二维多孔碳材料，我们发现二维材料在超级电容器领域以及电催化氧还原领域，比同类型一维多孔碳材料和零维多孔碳材料具有明显优势。项目负责人完成了项目计划中所列所有实验方案，同时尝试了无模板制备二维多孔聚合物的可能，初步建立了石墨烯基二维多孔聚合物的多种方法学体系，为更系统地研究该类材料的光电性质和能源应用提供了可靠的方法学基础。三年期间，项目负责人共计发表第一作者和通讯作者论文40余篇，其中影响因子大于10的论文13篇，包括Adv. Mater.4篇、Angew. Chem. Int. Ed.3篇、Adv. Funct. Mater.4篇。同时，由于在这一方向上的开拓性和系统性的工作，项目负责人于2017年获得国家基金委“优秀青年基金”的继续资助支持，项目负责人将会继续在二维软物质材料领域继续潜心工作，争取做出更加出色的工作。