一、研究背景

近年来，由于导电聚合物在发光二极管（LED）、薄膜晶体管、太阳能电池、电池和超级电容器等领域显示出广泛的应用, 引起了人们对其极大的兴趣。各种纳米结构展现出独特的电学、力学和光学性质，如2D材料石墨烯具有高电子迁移率和高刚度。已经研发出各种合成技术，以生产性能优异的导电聚合物的各种纳米结构。然而，目前所开发的用于制备2D纳米片的方法（包括电子束蒸发、蒸汽-液体-固体生长等）要么技术复杂、要么成本昂贵，迄今为止还没有构建2D和3D材料或其复合材料的全面方法。

二、研究成果

纳扎尔巴耶夫大学Nurxat Nuraje、Salimgerey Adilov，俄罗斯人民友谊大学Rafael Luque合作报道了一种前所未有、简单且可扩展的合成方案，用于在双连续微乳液系统中通过界面操纵设计2D、3D和相关导电聚合物纳米复合材料。该方法使用不同的油和水的双连续薄层来生产导电聚合物的2D纳米片。设计了四种不同的反应器，包括纯、非离子、阳离子和阴离子界面，以调整导电聚合物纳米片的形态和性能，氧化剂与单体的比例是控制形态的关键参数。

为了制备3D聚吡咯（PPY）及其复合材料，使用特殊设计的单体连接剂来锁定导电聚合物及其复合材料的3D网络。连接体的长度是控制导电聚合物网络的电和机械性能的另一个关键参数。该技术可以扩展到大多数导电聚合物复合材料的制造，具有性价比高且易于规模化生产。设计的2D PPY纳米片的最佳电导率为219 S cm⁻¹，迄今为止，此类先进材料的导电率最高。

相关研究工作以“Strategic Synthesis of 2D and 3D Conducting Polymers and Derived Nanocomposites”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

三、图文速递

设计特殊的双连续反应器系统是合成2D、3D导电聚合物及其复合材料的主要策略。其中，双连续反应器系统中的薄层界面是控制导电聚合物材料（包括电气、机械和结构）形态和性能的主要平台。调整导电聚合物纳米结构的关键参数包括单体和氧化剂的比例、界面厚度和电荷规则性、氧化剂的性质和掺杂元素。此外，发现单体、连接体和氧化剂比率是控制导电聚合物3D纳米结构形态的关键因素。

图1. 导电聚合物制造的示意图

图2. 单体与氧化剂的比例对PPY 2D纳米结构形成的影响

在导电聚合物（PPY）纳米结构的合成中，界面是操纵导电聚合物纳米结构形成的主要驱动力。本研究中选择了四种不同的界面：纯油/水界面、非离子界面、阳离子界面和阴离子界面，以研究PPY纳米结构的形成。表面活性剂在双连续薄层体系中的作用是在水层和油层之间产生均匀的界面差异。除了阴离子界面外，其他三个界面都能够在最佳条件下生成PPY的2D纳米片。这可以通过改变反应器的组成来控制，其中油水比起着至关重要的作用。层厚度取决于系统中的油和水的量。

图3. 不同油/水/表面活性剂比例下PPY导电纳米片的层状结构

图4. 不同方法制备的PPY纳米片的SEM图像

图5. 具有可变油水比的所有界面和非离子界面反应器的电导率

研究者通过四种不同界面的反应器的特殊设计来控制合成材料的电性能。最高电导率为219 S cm⁻¹，由纯界面反应器系统（DCM系统）制造的纳米片获得，这是由于没有界面阻挡层和掺杂剂容易输送到聚合物基质第二高电导率，144.9 S cm⁻¹，是通过非离子界面在最佳油水比（50/10wt%）下获得，因为它不干扰掺杂分子的传输。此外，由于2D导电聚合物的均匀性和相对较低的厚度，单体和氧化剂之间的比率是影响2D导电聚合物电性能的另一个重要参数。电导率范围取决于2D导电聚合物的均匀性。在阳离子和阴离子界面的情况下，合成材料的形态更加多孔且不均匀，这增加了颗粒之间的距离，导致电导率降低。通过纯界面和中性界面获得的2D PPY纳米片的电导率，比迄今报道的2D导电聚合物的数据高十倍。控制界面和掺杂，可以有效地微调导电聚合物的电性能。

图6. 2D PPY纯纳米片（a）和3D PPY材料（b–d）的SEM图像和图解

图7. PPY纳米复合材料中CDs的荧光猝灭和再活化分析

四、结论与展望

本研究首次为2D和3D导电聚合物及其纳米复合材料的设计开发了一种通用、简单和可扩展的合成策略。该制备技术基于四种不同的界面双连续反应器，包括纯、非离子、阳离子和阴离子界面。发现界面的性质、薄层界面的厚度、单体/氧化剂的比率（及单体、连接剂和氧化剂之间的比率）以及掺杂水平是控制导电聚合物材料的形貌和电性能的关键参数。与阳离子、非离子和阴离子等界面相比，不存在分子层的纯界面提供相对较厚的2D纳米片。由纯界面双连续系统设计的2D纳米片获得的电导率在四种不同系统中最高，显著高于文献报道的2D导电聚合物的值。在包含特殊连接剂的双连续反应器系统中，设计并成功制备了3D PPY材料。在纳米复合材料的合成中，将功能分散相材料加入到单体和连接体的混合物中。该研究所提出的方法有可能为设计先进的导电聚合物及其2D、3D和纳米复合材料铺平道路，并具有扩大生产的前景。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202208864

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