“在上个世纪，科学家们已成功开发出可交联形成一维和三维聚合物的分子。这些用于生产各种技术产品。然而，制造2D聚合物几乎没有成功，因为大多数分子不是平坦的，它们倾向于在溶液中旋转，使得难以控制它们与2D平面的连接，“二维材料研究负责人LohKianPing教授说。新加坡国立大学高级二维材料中心。他还在新加坡国立大学理学院化学系任职。

该论文的第一作者刘伟先生补充说：“我们的团队制定了一种策略，通过预先将扁平分子预处理成结晶状态并进行固态聚合来制造2D聚合物片材。这种方法限制了分子的旋转，并允许二维聚合反应形成碳-碳键。“刘先生是新加坡国立大学化学系以及新加坡国立大学综合科学与工程研究生院的博士生。

由NUS团队合成的新型聚合物片材具有独特的优点，因为它们具有良好的导电性和高度规则的亚纳米尺寸的孔，可用于在钠离子电池中高效安全地储存钠离子。钠离子电池是一种使用钠离子作为电荷载体的可充电金属离子电池。由于钠含量丰富，钠离子电池的生产成本比锂离子电池便宜。然而，缺点是它们不会持续很长时间。由Loh教授和他的团队开发的2D聚合物可以低成本批量生产，用作钠离子电池的电极，使这些电池能够在高容量下进行数千次充电循环。

新型二维聚合物的设计和验证于2017年1月发表在“自然化学”杂志上。2017年2月23日，自然新闻和观点也对其进行了重点介绍。

二维挑战

十多年前，当石墨烯首次从石墨中提取时，它被吹捧为“神奇的材料”，研究人员迅速加入了这一行列。这促使二维材料的出现成为一个新的研究领域，并激发了人们对二维聚合物有机合成的兴趣。然而，构建具有强键的稳定的2D共轭聚合物在合成化学中提出了复杂的挑战。

Loh教授解释说，“由于反应的不可逆性，特别难以制造基于碳-碳键的二维聚合物。一旦形成键合错误，它就会被锁定并且无法修复。“由于这个属性，Loh教授和他的团队开始制造具有碳-碳键的二维聚合物，因为它们是最稳定的键合类型，并且能够在恶劣的环境中使用-例如，聚合物可以在水中保持稳定，并且能够耐受酸和热。

设计的有效性

Loh教授和他的博士生刘先生使用的基本构件是一个平面分子，其中包含几个芳环，它们由一系列连接的碳双键组成，电子可以通过它们四处移动。电子移动的能力增加了聚合物的导电性，这在材料用于电池时是重要的。研究人员设计了这种芳香族单体，形成了有序排列。选择平坦分子以最大化2D中交联的机会。

在他们的实验中，新加坡国立大学的研究人员发现，通过对以特定方式预先包装的精心设计的扁平单体施加热量，形成2D结晶聚合物。2D聚合物由明确定义的孔和通道组成，钠离子可以通过这些孔和通道扩散进出能量储存。可以使用胶带容易地剥离这种材料的单个片材，得到小于1纳米的超薄片材。

大多数有机材料由于其导电性差和孔隙不均匀而在钠离子电池中用作电极时表现出差的性能。然而，该新型有机2D聚合物材料表现出优异的稳定性。当它用作钠离子电池中的阳极材料时，它可以在室温下快速充电和放电，并且在7,700次充电循环后保持70%的容量，这是前所未有的。当它作为锂离子电池中的电极进行测试时，新材料也能很好地工作。

Loh教授说：“与现代方法不同，我们的方法只涉及热退火，不使用溶剂，引发剂或催化剂。这种直接的方法使我们能够大规模地制造这种2D聚合物，并且成本低，与大规模生产塑料的成本相当。由于碳材料的惰性更强，有机基材料的使用也为钠离子提供了更安全的储存介质。“

未来的计划

新加坡国立大学团队成功地创造了一种具有增强离子存储特性的新型多孔二维材料，开辟了该领域的新视野，并可能成为晶体工程新分支的基础。为了进一步开展他们的工作，Loh教授和他的团队正在使用先进的计算技术来设计其他类别的分子结构单元，这些结构单元可以在固态下进行聚合，以开发其他新型2D聚合物。