智能二维共轭高分子材料的合成及其光电学性能研究

This proposal presents an intelligent 2D conjugated polymer material composed of an all-carbon conjugated skeleton and hydrogen-bonded tunable pores. The material will be synthesized with a “2D-selfassembly-polymerization” strategy in homogeneous solution. Following aspects will be further studied: (1) The relationship between self-assembly effect and polymerization; (2) the material’s photonic and electronic response to environments such as pH, temperature, guest molecules and ions; (3) applications in photoelectric devices, sensors, energy and catalyst.

本项目设计了具有全碳共轭骨架及由氢键构筑的可调控孔隙结构的智能二维共轭高分子材料，并且利用“二维自组装-聚合”的策略，直接在均相溶液中合成该材料。本项目将研究聚合过程中的自组装效应，以及该材料对环境如pH、温度、客体分子和离子的光/电学响应，为开发该类材料在光/电子、传感、能源及催化等方面的应用作准备。

聚合物膜在催化、分离、离子传导、光电器件等方面具有重要的应用，从而有利于促进人类社会可持续发展，为“碳中和”做出贡献。然而，目前市场上使用的传统聚合物膜还存在孔隙不均、厚度较大、稳定性不高等问题，导致某些前沿应用还不能大规模商业化。二维高分子是一类可以独立稳定存在的、横向尺寸远大于厚度（一般为纳米级）的有序共价网状新型聚合物薄膜。理论上，二维高分子有序的孔结构和超薄性使其比传统聚合物膜更有优势。但难以大量大尺寸制备、稳定性低、结晶区域小、厚度均一性差等是一直阻碍领域发展的难题。申请人围绕二维高分子等聚合物膜的可控合成，通过限域来控制二维形貌，发展聚合新思路。取得了系列新成果。比如，首次将Suzuki偶联反应引入到界面聚合并改进了Ullmann界面聚合方法，实现了多种大尺寸高稳定二维共轭高分子及新型氮化碳材料C3N3的制备，揭示了催化循环中间步可逆性及吸电子效应提高产物结晶性的原理；开发了一种预聚-界面固化法用于全碳骨架二维共轭微孔聚合物膜的制备，解决了共轭微孔聚合物难以加工成膜的难题，使用工业常用的涂膜工艺实现了高模量全碳骨架二维共轭微孔聚合物膜的大面积制备；提出了将氢键组装用于调控晶体结构以适合二维聚合的思路，解决了晶体结构可控性低的难题，并证明了氢键可维持二维超分子的独立存在，颠覆了之前人们主要使用共价键或强配位键构建二维材料的做法；建立了金属有机框架模板束缚单体在层间发生二维聚合的方法，精确控制了聚合物的厚度。以上研究发展了系列膜材料，初步考察了它们在晶体管、太阳能电池、水裂解、纳滤等方面的应用。在Angew. Chem. Int. Ed.，Adv. Funct. Mater.，Chem. Eng. J.，Small，J. Membrane Sci., 高分子学报等期刊发表通讯作者论文14篇，获授权发明专利9项。