近日，韓國先進科學技術研究院Jinwoo Lee教授和Jongkook Hwang教授我們開發了一種聚合物-聚合物界面自組裝策略（PISA），
成功製備了具有可控厚度和介孔尺寸的分層多孔碳納米片（HNCNS）。相關論文以題為“Polymer Interfacial Self–Assembly Guided Two–dimensional Engineeringof Hierarchically Porous Carbon Nanosheets”於2020年2月14日發表在J. Am. Chem. Soc.上.論文鏈接
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00311
二維（2D）納米材料由於其大的橫向尺寸和納米厚度而具有獨特的物理性質。特別是二維碳納米片憑藉大的比表面積，優異的機械/化學穩定性，電子和光學性能，在催化、傳感、淨化和能量轉換/儲存等方面得到了廣泛的應用。同時，進一步的納米片多孔（微孔和介孔）結構提供了較高的比表面積、較大的孔隙體積和更高的離子可及性。因此，同時構建兼具二維形貌和多孔結構優點的材料製備方法正在被探索。
使用自上而下技術（例如機械分離和化學剝離）和自下而上技術（例如超分子自組裝和在硬模板生長）已經被用於製備多孔碳納米片。然而，但使用自上而下等方法時，製備的孔隙結構、大小和順序往往都是難以精確控制的。基於溶液的嵌段共聚物（BCP）在納米模板自組裝是一種自下而上製備2D多孔碳納米材料的方法。兩親性BCP可以很容易地在水溶液中自組裝成膠束，然後在模板的頂部和底部組裝，得到厚度為幾十納米的介孔碳納米片。但合成過程需要一個多步驟的過程，不能精確地控制厚度在納米級。因此，
開發一種簡單而通用的方法來合成具有可控厚度和孔徑的介孔碳納米片仍然是一個巨大的挑戰。不相容聚合物共混物具有複雜而獨特的相行為，為製備具有獨特形貌的納米多孔無機材料提供了一種新的機制。三元聚合物共混物由一個副相（A）和兩個主要相（B和C）組成，可以有四種可能的形貌，這是由界面張力γ和相間的擴展係數決定的。當B相和C相互為強不相容時（γBC>γAB+γAC），熱力學力驅動A相到B-C界面處以降低界面張力γBC（即儘量減少不利於界面的焓）。這些新穎的聚合物遷移行為為納米多孔碳材料的二維形貌工程開闢了道路。
在本文的研究中，作者利用聚合物-聚合物界面自組裝（PISA）方法，設計了由均聚物、BCP和有機-無機前驅體組成的三元相聚合物共混物，將BCP自組裝與三元聚合物共混物的相行為相結合（圖1），成功製備了分層多孔碳納米片（HNCNS），此獨特的方法制備的納米片具有可調的厚度和孔徑。BCP的平衡界面相容性使得富BCP的相遷移到兩個不相容均聚物主相之間的界面上，其中富BCP的相只有幾納米的厚度，從而降低界面張力。由BCP主導的與有機-無機前驅體共聚合構建了有序的介孔結構，碳化和化學刻蝕產生具有分級微孔和介孔的超薄HNCNS，
利用這種方法，可以方便地控制其厚度（5.6-75nm）和介孔尺寸（25-46nm）。
圖1. 層狀多孔N摻雜碳納米片二維工程中聚合物界面自組裝原理圖
圖2. HNCNS的表徵
本文中成功製備的分層多孔碳納米片，具有獨特的分層孔隙和2D納米片形貌有利於離子和電子的擴散，大的層間距也有利於離子額嵌入和脫出。當用作鉀離子電池的負極材料時，在1 A g-1的電流密度下展現了超長的穩定性（2000圈），且保持178 mAh g-1的高比容量。
圖3. HNCNS用作鉀離子電池負極的電化學性能
圖4. 原始，鉀化和去鉀化後的HNCNS的HRTEM圖像和相對應的層間距
該工作為如何利用三元聚合物共混物和BCP相行為的物理性質用於合成納米多孔無機納米片提供了新的見解。由於聚合物的化學成分/結構以及聚合物的界面張力是高度可控的，因此
本文中使用PISA策略可以使二維多孔材料的設計具有高度的可控性，具有極其廣泛的應用前景，如：催化、能源轉換/儲存和生物應用等。閱讀更多 材料material 的文章
