[发明专利]一种一维无机高分子及其通用制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机高分子材料技术领域，具体地说，本发明涉及一种一维无机高分子及其通用制备方法。

背景技术

无机高分子也称为无机聚合物，是介于无机化学和高分子化学之间的古老而又新兴的交叉领域。第一届国际无机聚合物会议上将无机聚合物定义为：凡在主链上不含碳原子的多聚化合物称为无机聚合物，即主链由非碳原子共价键（包括配位键）结合而成的无机大分子物质。无机高分子与一般低分子无机物质相比具有如下特点：由多个“结构单元”组成、相对分子质量大、相对分子质量有“多分散性”、分子链的几何形状复杂等。

传统无机高分子按照主链结构分类可分为：均链高分子和杂链高分子。均链高分子特点是主链由同一种元素的原子构成，例如：链状硫 …－S－S－S－…，聚硅烷 …－Si－Si－Si－…。杂链高分子的特点是主链由不同元素的原子构成，例如：聚磷腈化合物 …－P=N－P=N－…。而本发明中的无机高分子的特点是：其主链由多种元素共同组成，且材料（如硒、碲、硒化锑、硫化铋）的微观分子结构为一维，或者零维（氧化锑），这些材料的各向异性较强：一维晶体结构的无机化合物，一个方向为共价键连接，另外两个方向为范德华力，共价键方向难以打断，通过分离两个范德华力方向的结构得到材料的最小分子单元，即单分子链。

纳米材料是当今科学研究中的热点之一，由于其独特的结构和优良的物理、化学性质，纳米材料在信息、能源等众多领域具有重要的应用价值。多年来受到科学工作者们的广泛关注。其中最为突出的纳米材料当属由碳原子以sp²杂化轨道组成六角蜂窝状晶格的平面薄膜—石墨烯，其表现出与晶体结构相对应的奇异的电子、热、机械及光学特性，在众多领域具有广泛的应用前景，受石墨烯研发热潮的推动，类石墨烯的二维层状材料，如绝缘的六方氮化硼（h-BN）、过渡金属硫族化合物（TMDs）、与硅相对应的单层硅烯（silicene）等也受到广泛的关注。二维层状材料的特殊性在于，其在一个方向上是范德华力，在另两个方向上是化学键连接，而存在一系列一维链状材料（如硒化锑、硫化锑、硫化铋等），其在两个方向上均是范德华力，只有一个方向上是化学键连接，即有望通过物理、化学方法实现无机单分子链（类高分子材料）的制备。一维链状材料具备很多新颖待开发的特性：比表面积大，在包括催化、自旋电子学、分子识别等领域具有非常重要的应用；半导体特质，禁带宽度可调，有望在光电、通信领域开辟一个新的领域；单电子传输特性，在单电子器件、传输等方面有独特的性质。

目前，关于纳米材料的制备和表征的方法已经有相关研究，常用的制备方法有：胶带法、超声溶液剥离法、离子插层剥离法、化学气相沉积（CVD）等。（1）胶带法是直接用胶带剥离层状前驱物，既直接简便，又能不破坏材料的主体性质，这种方法在石墨烯、二硫化钼等材料上纷纷取得了成功。但由于该方法产量低且耗时长，因此未得到广泛应用。（2）超声溶液剥离法的原理主要通过溶剂或表面活性剂与层状化合物的相互作用减小了层状化合物的剥离能，借助于超声的能量实现层状化学物的剥离和分散，其基本原理如图1所示。（3）离子插层剥离方法的原理如图3所示，包括以下几个步骤：离子交换、层间距膨胀、在溶液中剥离分散，其中关键在于层间距的膨胀，伴随溶剂分子的进入，显著减小层间范德华力。（4）化学气相沉积（CVD）技术是将原料气或蒸汽通过气相反应沉积出固态物质，淀积反应常在气固界面上发生，淀积物将按照原有固态基底（又称衬底）的形状包覆一层薄膜，而在沉积物达到一定厚度时，需要与衬底材料分离，即需要选取合适的材料作为基底材料。