介孔材料是一類孔徑介於2-50奈米之間的多孔材料。在過去三十年中，介孔材料在分離、催化、感測以及載藥等領域取得了廣泛的應用。對介孔材料奈米尺度微觀結構的控制通常藉助多組分兩親性體系（表面活性劑或嵌段共聚物為模板）的自組裝而實現。除前述的模板法外，對含有非揮發性元素的單組份兩親分子進行直接熱裂解也可以製備有序介孔材料。與模板法相比，單組分前驅體法具有結構控制精準、不易發生模板分子與前驅體的宏觀相分離等優點。透過對前驅體的預加工，裂解後的介孔材料形態亦可以得到較好的控制。
在構成介孔材料的各類化學組分中，二氧化矽作為經典體系，是最為簡單卻被廣泛關注的型別。然而，單組分大分子為前驅體的有序介孔二氧化矽製備此前未見報道。其中挑戰在於：高矽含量的分子前驅體選擇極為有限，而常見的矽氧聚合物（如聚二甲基矽氧烷等）受熱時易發生解聚反應。
圖1 以基於籠形倍半矽氧烷的巨型表面活性劑為前驅體制備有序介孔二氧化矽材料
最近，華南理工大學華南軟物質科學與技術高等研究院S.Z.D. CHENG院士團隊設計併合成了由親水多面體籠形倍半矽氧烷（簡稱DPOSS）和疏水的聚苯乙烯鏈組成的單組分雜化巨型表面活性劑，並透過熱退火的方式使該巨型表面活性劑發生體相自組裝形成六方有序結構。對該雜化組裝體進行熱裂解可以移除其中的有機組分（聚苯乙烯及含羥基官能團），從而得到具有六方柱狀相的有序介孔二氧化矽材料。小角X射線散射（SAXS）和透射電子顯微鏡（TEM）的表徵證明，熱裂解過程中樣品的有序微觀結構得到了很好的保持。
圖2 熱裂解前後樣品的SAXS與TEM對比
氮氣吸附實驗表明，該介孔二氧化矽材料具有較高的比表面積（581 m2/g）和均一的孔徑分佈（3.3奈米）。改變前驅體分子中聚苯乙烯鏈的長度可以對孔徑實現有效的調節。基於單組分前驅體的良好的可加工性，不同形態的有序介孔二氧化矽材料（包括塊體、纖維和塗層）可透過對作為前驅體的巨型表面活性劑加工而實現。該方法制備的有序介孔二氧化矽材料可作為貴金屬奈米粒子催化劑載體，並顯著提升了催化反應的速率和催化劑的穩定性。本工作為拓展有序介孔材料的製備方法及應用提供了新的思路。
圖3 巨型表面活性劑塊體及其熱解得到的介孔二氧化矽材料的照片
這一成果近期發表在《美國化學會會志》（Journal of the American Chemical Society）上，本文共同第一作者為郭慶雲博士和嚴笑雲博士，通訊作者為S.Z.D. CHENG院士、許志豪博士和張煒博士。華南理工大學17級材料類全英創新班本科生李幸晗在過去二年多時間裡，在這個專案中協助進行了前驅體分子的合成工作，為課題的完成做出了突出貢獻。本課題由文章的17位作者共同完成，這個科研方向早在六年前就開始嘗試了。文章的最終發表離不開所有作者歷時多年的嘗試、探索與努力。
來源：華南理工大學
論文連結：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c05356
