《JACS》一种独特的方法！制备具有可调厚度和孔径的纳米片

近日，韩国先进科学技术研究院Jinwoo Lee教授和Jongkook Hwang教授我们开发了一种聚合物-聚合物界面自组装策略（PISA），

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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00311

二维（2D）纳米材料由于其大的横向尺寸和纳米厚度而具有独特的物理性质。特别是二维碳纳米片凭借大的比表面积，优异的机械/化学稳定性，电子和光学性能，在催化、传感、净化和能量转换/储存等方面得到了广泛的应用。同时，进一步的纳米片多孔（微孔和介孔）结构提供了较高的比表面积、较大的孔隙体积和更高的离子可及性。因此，同时构建兼具二维形貌和多孔结构优点的材料制备方法正在被探索。

使用自上而下技术（例如机械分离和化学剥离）和自下而上技术（例如超分子自组装和在硬模板生长）已经被用于制备多孔碳纳米片。然而，但使用自上而下等方法时，制备的孔隙结构、大小和顺序往往都是难以精确控制的。基于溶液的嵌段共聚物（BCP）在纳米模板自组装是一种自下而上制备2D多孔碳纳米材料的方法。两亲性BCP可以很容易地在水溶液中自组装成胶束，然后在模板的顶部和底部组装，得到厚度为几十纳米的介孔碳纳米片。但合成过程需要一个多步骤的过程，不能精确地控制厚度在纳米级。因此，

不相容聚合物共混物具有复杂而独特的相行为，为制备具有独特形貌的纳米多孔无机材料提供了一种新的机制。三元聚合物共混物由一个副相（A）和两个主要相（B和C）组成，可以有四种可能的形貌，这是由界面张力γ和相间的扩展系数决定的。当B相和C相互为强不相容时（γBC>γAB+γAC），热力学力驱动A相到B-C界面处以降低界面张力γBC（即尽量减少不利于界面的焓）。这些新颖的聚合物迁移行为为纳米多孔碳材料的二维形貌工程开辟了道路。

在本文的研究中，作者利用聚合物-聚合物界面自组装（PISA）方法，设计了由均聚物、BCP和有机-无机前驱体组成的三元相聚合物共混物，将BCP自组装与三元聚合物共混物的相行为相结合（图1），成功制备了分层多孔碳纳米片（HNCNS），此独特的方法制备的纳米片具有可调的厚度和孔径。BCP的平衡界面相容性使得富BCP的相迁移到两个不相容均聚物主相之间的界面上，其中富BCP的相只有几纳米的厚度，从而降低界面张力。由BCP主导的与有机-无机前驱体共聚合构建了有序的介孔结构，碳化和化学刻蚀产生具有分级微孔和介孔的超薄HNCNS，

图1. 层状多孔N掺杂碳纳米片二维工程中聚合物界面自组装原理图

图2. HNCNS的表征

本文中成功制备的分层多孔碳纳米片，具有独特的分层孔隙和2D纳米片形貌有利于离子和电子的扩散，大的层间距也有利于离子额嵌入和脱出。当用作钾离子电池的负极材料时，在1 A g-1的电流密度下展现了超长的稳定性（2000圈），且保持178 mAh g-1的高比容量。

图3. HNCNS用作钾离子电池负极的电化学性能

图4. 原始，钾化和去钾化后的HNCNS的HRTEM图像和相对应的层间距

该工作为如何利用三元聚合物共混物和BCP相行为的物理性质用于合成纳米多孔无机纳米片提供了新的见解。由于聚合物的化学成分/结构以及聚合物的界面张力是高度可控的，因此

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