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上海科技大學李濤教授課題組在金屬有機框架-高分子復合材料的構建方面取得重要進展

2018-12-27 16:31:26 作者：本網整理來源：上海科技大學分享至：

上?？萍即髮W物質學院李濤教授課題組在金屬有機框架-高分子復合材料的構建方面取得重要進展。近日，相關成果以“A generalizable method for the construction of MOF@polymer functional composites through surface-initiated atom transfer radical polymerization”為題，于國際知名化學期刊《Chemical Science》（《化學科學》）上發表。

在納米材料表面接枝高分子（polymer）是一種調控納米材料物理化學性質的通用方法。由于高分子材料具有非常豐富的化學和結構多樣性，將具有特定物理化學性質的高分子修飾到納米材料表面，可以控制納米材料的分散性、化學穩定性、電荷傳輸行為、自組裝行為、生物活性以及分子識別等多種性質。絕大部分納米材料如金屬納米顆粒、量子點、蛋白分子、氧化物顆粒和高分子等都可以通過相對特征的共價接枝方式實現表面的高分子修飾。

金屬有機框架材料（MOFs）是一系列利用金屬離子或金屬簇（metal ions/clusters）和有機配體（organic linker）配位結晶形成的結構與化學組成極其豐富的納米多孔材料。這類材料在氣體儲存、氣體分離、催化和生物成像等不少領域具有潛在的應用前景。而可以用來制備MOFs的原料幾乎包括了元素周期表上的所有金屬及有機化學庫中取之不盡的配體。在短短的20年中被報道的MOFs結構已超過20000種。在MOF顆粒外面修飾一層柔軟的高分子構建具有MOF@polymer殼核結構的復合材料可以精確調控MOFs表面的一系列性質，并提升MOF在生物成像、醫學治療、氣體膜分離和催化等應用領域的性能。然而正因為MOFs材料的多樣性，在MOFs表面修飾高分子的方法通常僅局限于特定的MOFs體系。至今尚沒有一種普適的方法能應用于各種MOFs。

基于這個挑戰，李濤教授課題組開發了一種基于無規共聚物（random copolymer,RCP）弱作用力自組裝結合表面引發原子轉移自由基聚合（SI-ATRP）的方法，成功在各種MOFs材料表面生長高分子。該方法首先設計了一種帶有多個羧酸官能團和多個ATRP（溴代異丁酸酯）引發位點的RCP，進而利用聚合物分子鏈之間的氫鍵在MOF顆粒表面快速自組裝并將ATRP引發位點引入到MOF表面。隨后在單體（monomer）和交聯單體（crosslinking monomer）的環境下進行SI-ATRP，便能在MOF表面牢固包覆一層厚度均勻且可調的共價交聯高分子網絡。得益于ATRP聚合可逆失活的特性，在完成第一層高分子的生長之后，還可以繼續進行第二甚至第三層高分子的生長，由此實現MOFs表面高分子層組成、序列以及構型的任意調控。該方法的開發解決了MOFs表面修飾高分子這一長久以來的難題，并使MOF和高分子復合材料的精準合成以及界面調控成為可能。

圖1.在MOF顆粒表面生長高分子的方法示意圖

圖2.該方法應用于不同種類MOF的透射電鏡圖及能量色散X射線譜面掃分析

該課題的研究工作全部在上科大完成。李濤教授課題組2017級博士研究生何三豐為第一作者，李濤教授為通訊作者，上科大為第一完成單位。該研究中的分子動力學模擬（MD simulation）實驗由物質學院Yongjin Lee教授完成，能量色散X射線譜則由物質學院于奕教授協助完成，這充分體現了物質學院各個團隊同心共力、交叉合作的良好氛圍。該研究由上科大啟動基金、上海“浦江人才計劃”以及國家自然科學基金青年科學基金等項目支持。

文章鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/sc/c8sc03520b#!divAbstract

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責任編輯：韓鑫

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