天大黃輝/國科大史欽欽團隊Adv Mater：快速宏量制備高穩定性二維共軛聚合物

導讀

近日，天津大學黃輝教授與中國科學院大學史欽欽教授團隊在二維共軛聚合物研究方面取得重要進展，相關成果以“Highly Stable Two-Dimensional Conjugated Polymers Enabled by Scalable and Irreversible C?C Cross-Coupling Reactions”為題發表在國際知名期刊Advanced Materials上。該工作提出了一種基于不可逆C?C交叉偶聯反應的二維共軛聚合物構筑新策略，在室溫條件下實現了高穩定二維共軛聚合物的快速制備，在兼顧結構有序性的同時顯著提升了材料的化學穩定性與性能。

二維共軛聚合物（two-dimensional conjugated polymers, 2DCPs）是一類兼具二維周期結構與π共軛骨架特征的新型有機功能材料。由于其具有可設計的拓撲結構、豐富的電子結構、較大的比表面積以及優異的光電性質，二維共軛聚合物在催化、能源、傳感、光電器件和有機電子學等領域展現出重要應用潛力。然而，二維共軛聚合物的發展長期面臨一個核心挑戰：如何在溫和條件下實現材料的快速、可規模化和高穩定性制備。

作者以多取代芳基溴化物和錫化物為單體，P(t-Bu)3 Pd G3作為催化劑，在室溫條件下可以在數分鐘內完成聚合制備多種具有不同拓撲結構的二維共價有機聚合物UCAS-1~6，體現了該方法的普適性。以材料UCAS-1為例，該方法還可以制備自支撐薄膜和實現克級放大制備（圖1），顯示出優異的合成效率和規模化潛力。

圖1: UCAS-1的粉末與自支撐薄膜的合成

作者通過Raman光譜、FT-IR光譜、SSNMR、XPS、UV-vis光譜以及UPS對UCAS-1的化學組成和性質進行了表征分析，通過PXRD、HR-TEM、SEM、AFM等關鍵表征證實并分析UCAS-1的二維層狀結構（圖2）。通過氮氣吸附-脫附測試測得UCAS-1的BET比表面積達到488 m2g-1，顯著高于同類無定形材料。UCAS-1同時表現出突出的環境耐受能力：經強酸、強堿、沸水、強氧化劑和強還原劑等極端條件處理后仍能保持結構穩定；TGA顯示10%失重溫度達到637 °C，體現出優異的化學穩定性和熱穩定性。

圖2: UCAS-1的表征

在應用方面，UCAS-1展現出優異的光催化性能（圖3）。在鎳/光協同催化C?N交叉偶聯反應中實現超過99%的產率；在芳基硼酸氧化羥基化反應中同樣可獲得超過99%的產率。更重要的是，UCAS-1在多次循環使用以及經極端條件處理后仍能維持較高催化效率，顯示出其在苛刻反應環境中的應用潛力。

圖3：光催化反應

此外，研究團隊進一步制備了自支撐UCAS-1薄膜，并構筑有機光電突觸器件（圖4）。該器件能夠模擬典型突觸行為，并在100 °C高溫、100%濕度、強酸和強堿環境下保持穩定響應；器件在126000次工作循環后仍保持良好功能，展現出該類二維共軛聚合物在耐受型光電子器件、人工視覺和類腦計算等方向的應用前景。

圖4：有機光電突觸

該研究實現了從不可逆C?C偶聯合成、π?π自模板二維生長機制，到高穩定光催化與光電突觸應用的系統突破，為高穩定二維共軛聚合物的可規模化構筑及其在極端環境功能器件中的應用提供了新的材料基礎和設計思路。

論文第一作者為中國科學院大學2024屆博士畢業生馬博維、中國科學院大學副研究員謝文斌博士，通訊作者為天津大學黃輝教授和中國科學院大學史欽欽教授。研究工作得到了國家自然科學基金、北京自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、中國科學院與美國聯邦科研機構合作項目、中國博士后科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金等資助。

論文信息：Bowei Ma (#), Wenbin Xie (#), Yincheng Zhang, Xiang Li, Jikai Lv, Hao Chen, Lutang Zhao, Peisen Liu, Fancheng Meng, Cong Shan, Qian Peng, Fan Zhang, Qinqin Shi*, Hui Huang*, Highly Stable Two-Dimensional Conjugated Polymers Enabled by Scalable and Irreversible C?C Cross-Coupling Reactions.Adv. Mater. 2026, 0, e22500.

原文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202522500