多金属氧酸盐簇-聚合物杂化功能材料的研究进展

随着高新科技的快速发展与日益更替,兼有无机材料多功能性和聚合物可加工性的杂化材料具有重要的应用前景。本文论述并回顾了将多金属氧酸盐簇(Polyoxometalates)与聚合物通过共价键连接制备多金属氧酸盐簇-聚合物杂化物(Polyoxometalate-Polymer Hybrids)的研究现状。依据所制备杂化物中聚合物链的构型进行分类,综述了近年来该领域的研究进展,并重点介绍了本课题组在过去几年里的研究成果。     

聚合物与多金属氧酸盐簇杂化发展新型的功能材料

随着学科之间相互交叉渗透的发展,兼有无机材料的功能性和有机材料的可加工型的新型杂化材料显示出了巨大的应用前景。本篇论述介绍本研究组在过去几年里,将多金属氧酸盐簇(Polyoxometalates)与我们熟知的聚合物通过共价键相连接制备杂化物(Polyoxometalate-Polymer Hybrids,PPHs)的研究结果,目的是在保证POMs簇合物特殊功能的前提下,还赋予杂化物良好的可加工性能,开发高附加值的功能杂化材料。通过对含PPHs的合成和超分子聚集体自组装行为的研究工作,将POMs簇合物化学、聚合物化学和超分子科学的相关知识融合在一起,并在这三个传统研究方向的交叉点上开辟了一个新的突破领域,该研究成果为先进功能材料的制备提供了一个新的思路。     

多金属氧簇与倍半硅氧烷簇构筑的簇-簇杂化分子的合成及自组装结构

以Wells-Dawson型多金属氧簇(POM)与T₈型倍半硅氧烷簇(POSS)为构筑单元,通过点击化学反应制备了一种由共价键连接形成的、新型的纳米簇-簇杂化分子(POM-2POSS),并采用核磁共振(NMR)、质谱(MS)和红外光谱(IR)对产物化学结构进行了表征. 由于两个POSS簇连接在POM簇的同一侧,分子呈现“V”形. 同时,利用X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)表征了簇-簇杂化分子在本体中通过自组装过程形成的超分子结构,结果表明该簇-簇杂化分子形成了有序的层状结构,周期仅为5.1 nm. 本研究获得结果对以这类纳米簇为构筑单元构筑新型杂化分子以及通过自组装过程形成的、有序超分子结构的新型杂化材料的设计及制备提供了一个新的思路.     

聚合物纳米杂化高性能光功能材料

近年来材料科学与技术的不断发展,对光学材料提出了高性能化和多功能化的需求,为此,研究者们结合传统有机聚合物光学材料和无机光学材料的优势,提出了备受关注的聚合物纳米粒子杂化的策略.本文首先概述了针对杂化材料透光性进行控制的杂化方法,指出杂化方法的选择很大程度上与材料性质尤其是纳米相的性质相关,而杂化方法的目的则在于实现纳米杂化材料的透光性控制,纳米杂化光功能材料实现功能的前提即为透光性.随后,分别介绍了聚合物纳米杂化策略在高折射率材料与发光材料中的应用.对于高折射率材料,总结了提升材料折射率的不同策略.对于发光材料,总结了基于聚合物相和纳米相之间不同的相互作用而采用各种杂化方式以及相关的性能提升.接下来,讨论了聚合物纳米杂化光功能材料在光学和机械、热学、表面性能方面的调控手段和性能提升的策略.最后,提出了下一代光学杂化材料所面临的困难与挑战,以进一步推动这一领域的发展.     

可溶液加工的聚(多金属氧簇降冰片烯)和聚(己酸降冰片烯)嵌段和无规共聚物的合成及催化功能的研究

将一种可有机功能化的Wells-Dawson POM与降冰片烯相连接,制备了多金属氧簇降冰片烯单体.再利用活性可控的开环易位聚合方法(ROMP),在Grubbs 3~(rd)催化剂的作用下,合成了聚(多金属氧簇降冰片烯)-聚(己酸降冰片烯)的杂化嵌段和无规共聚物(H-CPs),分别简写为Poly(POM)_m-b-Poly(COOH)_n和Poly(POM)_m-r-Poly(COOH)_n.采用~1H-NMR、~(31)P-NMR和FTIR等方法对共聚物结构进行表征,确认我们成功地合成了由共价键连接这2种单体形成的H-CPs.最后,利用带有光散射和红外探测器的凝胶渗透色谱(SEC)测定聚合物的绝对分子量和分子量分布,证明所得到的H-CPs不仅分子量可控,而且分子量分布系数较窄.最后,研究了H-CPs催化氧化四氢噻吩(THT)成环丁亚砜(THTO)反应,结果表明,相比于聚(多金属氧簇)的均聚物(Poly(POM)),H-CPs的催化活性有所下降,原因是POM催化剂含量较低以及H-CPs在催化介质中溶解性的差异.     

多金属氧簇与倍半硅氧烷簇构筑的哑铃形杂化分子Langmuir膜和Langmuir-Blodgett膜

以两个形状杂化分子(Shape Hybrid Molecules)为目标分子, 研究了它们在气液界面上形成Langmuir膜的过程和Langmuir-Blodgett (LB)膜的聚集态结构. 杂化分子是由Wells-Dawson型磷钨氧簇(Polyoxometalates, POMs)和T₈型的倍半硅氧烷簇(Polyhedral Oligosilsesquioxane, POSS), 通过对苯二甲酸有机连接链(OL)用共价键构筑的具有杂化性质和哑铃形状的簇-簇杂化分子(POM-OL-POSS). 这两种杂化分子的差别在于POSS段中, 外围有机基团的尺寸不同. 在实验中, 采用Langmuir和LB膜技术, 了解POSS外围的七个取代基变化导致的分子尺寸变化对Langmuir膜形成过程和LB膜结构的影响. 采用Langmuir技术测定了表面压-平均分子面积(π-A)等温曲线和π-A循环等温曲线, 跟踪并研究了这两个杂化分子在水表面上形成Langmuir膜的过程. 实验结果表明, 两个杂化分子都表现出良好的两亲性, 从气相变化到固相的过程中, 杂化分子经历了从分散到集中的过程. 将这些膜转移到基片上, 得到单层的LB膜, 再利用原子力显微镜(AFM)和透射电子显微镜(TEM)研究了LB膜的表面形貌和聚集态结构. 由于POM段中含有钨和钒金属, 可以直接用TEM观察聚集态结构, 发现了在气-液和液-固相转变过程中, LB膜中杂化分子的聚集态结构都呈现涨落特征, 一种凝聚态物理中由相转变导致结构涨落的重要物理现象. 本研究获得的结果能够帮助我们以及这个领域的研究者们继续优化杂化分子的结构, 进一步构筑具有有序结构的膜和本体材料.     

溶液自组装法构筑超分子杂化功能材料

以Anderson型多金属氧酸盐(POM)为构筑单元,通过共价键的方式将两个胆固醇分子连接到POM两端,制备了一种具有胆固醇-多金属氧酸盐-胆固醇结构的杂化分子,其在本体中通过自组装形成有序的六棱柱状结构。杂化分子的POM核在N,N-二甲基甲酰胺中具有良好的溶解性,而其胆固醇端基在甲苯中具有适当的溶解性。在甲苯体积分数为85.7%的条件下,杂化分子通过POM核与其胆固醇端基溶解性的差异、胆固醇端基之间较强的范德华力和POM核之间较强的相互静电作用力,可以自组装形成不同尺度的有序纤维结构,其相互缠绕最终形成典型的三维网状结构。在纤维结构中,杂化分子通过胆固醇层与POM层相互交替排列,在透射电镜表征中形成了明暗交替的层状精细结构。本研究工作在纳米材料的设计、组装和应用方面具有潜在的应用价值。     

PMMA/SiO2透明块体材料的热性能分析与微观结构表征

以正硅酸乙酯为前驱体,采用无溶剂水解技术,制备出了均一、稳定、透明的二氧化硅溶胶,通过透射电镜分析,粒径在100nm左右;在溶胶中加入甲基丙烯酸甲酯（MMA）和偶氮二异丁腈（AIBN）,采用热固化的方式制备出透明的块体PMMA/SiO2杂化材料,通过差热分析、热重和透射电镜表征杂化材料的热性能和微观结构,实验结果表明：当体系中的SiO2含量超过20%时,杂化材料无明显的玻璃化转变温度;无机相均匀分散在有机相中,两相之间没有明显的相分离现象,制备出均一的杂化材料。     

杂化太阳电池中异质结界面的修饰及其对电池光电性能的影响

有机-无机杂化太阳电池综合了有机、无机材料的优点,成本低、理论效率高,受到人们的广泛关注.杂化太阳电池的光活性层由无机半导体和有机共轭聚合物复合而成.当光照射到活性层上时,共轭聚合物吸收光子产生激子(电子-空穴对);激子迁移到有机给体-无机受体的异质结界面处发生解离而产生自由电子和空穴;自由电子和空穴分别向无机半导体和有机聚合物传输,从而实现电荷的分离和传导.激子在有机-无机异质结界面处的分离效率是影响电池性能的一个重要因素.有机、无机两相材料往往因为接触面积小以及相容性差使此两相材料接触不佳,激子迁移到此界面不能有效分离,从而严重影响了杂化太阳电池的效率.这个问题可以通过此界面的修饰加以改善.本文即综述了有机-无机异质结界面修饰的方法、作用和意义,并展望了杂化太阳电池未来的发展趋势和应用前景.     

溶胶凝胶法制备β-环糊精聚合物/二氧化钛有机-无机杂化材料

通过烯丙基环糊精(allyl-β-CD)与丙烯酸(AA)的共聚合反应在环糊精聚合物链中引入了活性基团羧基, 运用溶胶-凝胶法制备了新型的环糊精聚合物P(CD-co-AA)/TiO₂有机-无机杂化材料. 溶剂抽提结果和FT-IR表明杂化材料中有机无机两相间存在着化学键. 通过XRD, SEM, TGA研究表明有机无机两相高度相容, 热稳定性能有大大的提高. 另外还发现, 在所制的材料中TiO₂的含量对材料的结构和性能有很大的影响, 当TiO₂的含量为60% (w)时, 材料表面均匀光滑, 有机无机两相相容性和材料的热稳定性能最好.     

通过RAFT法制备聚合物/膨润土杂化材料

通过可逆加成-断裂链转移(RAFT)自由基聚合方法合成了聚合物/膨润土(蒙脱石)杂化材料. 以乙基黄原酸基膨润土为链转移剂, AIBN为引发剂, 在环己酮溶液中, 通过甲基丙烯酸甲酯的RAFT自由基聚合, 得到了一系列的聚合物/膨润土杂化材料. 并用FT-IR, NMR, SPM, TG, GPC等分别对产物的微观结构、热性能、有机物含量以及分子量和分子量分布进行了表征和测试.     

笼型倍半硅氧烷及其在阻燃聚合物中的应用

笼型倍半硅氧烷(POSS)是一种新型的有机-无机杂化材料,是基于化学键作用形成的分子内杂化结构。由于其独特的分子结构,与聚合物复配后形成的杂化材料不但能够明显改善聚合物基体的力学性能、加工性能和光电性能,同时能够显著提高聚合物的耐热性能和燃烧性能。本文简要综述了POSS单体的结构特点及几种在阻燃聚合物中常用到的带有特种结构官能团POSS的合成方法,分析了POSS的加入对聚合物阻燃机理的影响,重点介绍了近年来POSS在阻燃聚合物中的应用研究进展,并展望了今后的研究方向和重点。     

基于含羟基聚芳醚砜的有机-无机杂化材料的制备

聚芳醚砜类材料作为全芳香无定形耐高温工程塑料一直备受关注,在航空、航天、信息及能源等领域得到了广泛的应用~([1]).以脂肪族聚合物为基体的杂化材料往往不具备良好的热、化学与辐射稳定性.人们希望通过将无机粒子引入芳香性耐高温聚合物中,使其既具有理想的性能,又满足苛刻的运行环境.通过简单物理掺杂和共混的方法很难精确控制材料的微观形态与性能.利用溶胶-凝胶法将无机相引入聚合物体系中~([2]),通过调节有机与无机的组分比可以实现对材料的"剪裁",达到有机-无机两相最优组合的目的.     

苯基笼状倍半硅氧烷(TSP-POSS)改性聚氨酯的分子模拟和热性能研究

采用分子力学及分子动力学方法,构建了质量百分比分别为0 wt%、3.06 wt%、6.56 wt%、10.13wt%、12.11 wt%、15.36 wt%和19.87 wt%共7种TSP-POSS杂化聚氨酯的分子结构模型,通过对均方位移、径向分布函数、XRD衍射图谱的分析,在分子水平上研究了半笼型TSP-POSS的引入对聚氨酯分子链结构及热性能的影响.结果表明,当TSP-POSS含量低于12.11 wt%时,随着TSP-POSS质量分数的增加,分子链之间的平均距离增大,分子间相互作用减小,聚合物分子链的运动性增强;当TSP-POSS含量高于12.11 wt%时,TSP-POSS自身会团聚成晶簇,降低了聚合物分子链的运动能力并由无定形聚集状态转变为层状半结晶结构.通过对7种体系的体积-温度函数分析,证明TSP-POSS的引入在一定程度上能显著提高聚氨酯杂化材料的玻璃化转变温度,在一定程度上增强其热稳定性.     

溶胶-凝胶法制备聚醚砜-二氧化硅复合材料

以聚醚砜(PES)为基体,通过溶胶-凝胶过程,得到了分散均匀的PES/SiO₂杂化材料,用扫描电镜、透射电镜、傅里叶红外及差示扫描量热法研究不同SiO₂含量的PES/SiO₂杂化材料材料性能.结果表明,当PES/SiO₂杂化材料中SiO₂的质量分数大于10%时可获得有机聚合物链段与无机网络互穿的均匀分散的复合材料.此材料的玻璃化转变温度(Tg)明显提高.     

加替沙星分子印迹聚合物的制备及其应用

以加替沙星为模板分子,采用溶胶-凝胶分子印迹技术,合成具有分子识别作用的新型有机-无机杂化分子印迹聚合物,对其进行吸附性能研究证明了印迹聚合物对加替沙星的专一吸附性能。以该印迹聚合物为固相萃取材料填充固相萃取柱,优化固相萃取条件,结合超高效液相色谱法,对牛奶样品进行检测。建立了分子印迹固相萃取方法,分离富集并检测牛奶中的加替沙星,其回收率为79.87%,富集倍数为38,高于市售C18柱,具有一定的实际应用价值。     

多金属氧酸盐有机-无机杂化材料

本文总结并评述了多金属氧酸盐 (POMs)有机 无机杂化材料领域的研究进展 ,包括POM有机或有机金属衍生杂化材料 ,电荷转移 (CT)盐和有机 无机复合膜。POM有机或有机金属衍生杂化材料分为四类 ,即 ( 1 )配体作抗阳离子 ,( 2 )配体直接与POM骨架配位 ,( 3)配体与杂金属配位 ,和 ( 4)有机金属作配体。此外 ,本文还描述了POMCT杂化材料 ,它们含有不同的有机p 电子给体 ,例如取代酰胺、芳香胺或富含电子的四硫富瓦烯 (TTF)、双 (乙烯二硫基 )四硫富瓦烯 (BEDT TTF或ET)及二茂铁 ;以及POM装法和电化学生长法。最后 ,本文对这些杂化材料的理性合成与潜在应用进行了展望     

CO_2响应石墨烯体系的制备及其性能研究

利用CO_2响应性的含芘聚合物(PNDV)作为分散剂,通过π-π共轭作用力成功附着在石墨烯表面,从而制得一种稳定的石墨烯分散体系。采用UV-Vis、IR、荧光光谱和透射电子显微镜对体系中石墨烯的分散性和CO_2响应性能进行表征。结果表明:PNDV可修饰在石墨烯表面,形成含芘聚合物和石墨烯的杂化体(PNDV-RGO),得到稳定均匀的石墨烯分散溶液。透射电镜显示石墨烯在体系中以单片层形式分布,最大宽度约1μm。在交替通入CO_2/N2后,PNDV-RGO杂化体表现出明显的分散/聚集现象。     

溶胶凝胶法制备杯[6]芳烃乙酸/二氧化钛杂化材料

采用溶胶-凝胶法制备了不同TiO₂含量的杯[6]芳烃乙酸/TiO₂ (CA/TiO₂)杂化材料. 通过溶剂抽提实验和FT-IR测试表明杂化材料中有机无机两相间存在着化学键. 通过XRD, SEM, TGA对材料的结构和性能进行表征. 结果表明: 当TiO₂的含量w为60%时, 材料表面均匀光滑, 有机无机两相相容性和材料的热稳定性能最好, 但w(TiO₂)≤40%时, 难以获得两相均一的杂化材料.     

PMMA/SiO_2/OV-POSS杂化材料的制备与表征

以乙烯基三氯硅烷为原料水解制得八乙烯基多面体低聚倍半硅氧烷(OV-POSS),将其与经KH570改性的SiO2溶胶和甲基丙烯酸甲酯(MMA)混合均匀,采用热固化的方法制得PMMA/SiO2/OV-POSS杂化材料,通过透射电镜、红外谱图、差热分析和热重分析对材料的微观结构以及热性能进行表征,结果表明:杂化材料结构均匀,有机相和无机相之间通过双键聚合的方式形成了共价键;杂化材料耐热性好,玻璃化转变温度比纯PMMA提高约72℃,分解温度提高约121℃。