環(huán)狀膠粒是一種典型的非凸膠體，是構(gòu)建復(fù)雜多層級材料的新型自組裝基元，其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使其單粒子及其組裝體可能具有不同尋常的光電磁性能，因而為材料構(gòu)建提供了很多新的可能性。但是，環(huán)狀膠體的研究仍缺少普適性且可規(guī)?；暮铣煞椒?，導(dǎo)致其材料性能的探索受限。?

中國科學(xué)院化學(xué)研究所高分子物理與化學(xué)實(shí)驗(yàn)室研究員劉冰團(tuán)隊(duì)在環(huán)狀膠粒的合成、自組裝和功能材料發(fā)展方面取得了系列進(jìn)展。在前期工作中，他們提出了一種“patchy模版合成”的策略，利用固體膠粒模板實(shí)現(xiàn)了二氧化硅環(huán)的批量化制備；在此基礎(chǔ)上，利用合成的環(huán)狀膠體，系統(tǒng)研究了膠體尺度的Plateau– Rayleigh不穩(wěn)定性，并發(fā)現(xiàn)了該不穩(wěn)定性是合成環(huán)狀Janus膠粒和環(huán)狀多patchy膠粒的有效方法；利用環(huán)狀膠粒作為框架，抑制Plateau– Rayleigh不穩(wěn)定性，控制液體環(huán)（聚合物溶液）的收縮不穩(wěn)定性，發(fā)展了聚合物盤狀膠粒的普適性合成方法；利用發(fā)展的高度均一環(huán)狀模型體系，探索了環(huán)狀膠體的自組裝行為，發(fā)現(xiàn)了新穎的自組裝結(jié)構(gòu)與調(diào)控路徑，構(gòu)建了新型液晶多孔材料。?

近日，該團(tuán)隊(duì)為發(fā)展環(huán)基膠體材料，將“patchy模版合成”策略推廣到液滴模版，利用液滴特殊的保護(hù)作用與穩(wěn)定能力，發(fā)展了一種選擇性生長新方法，實(shí)現(xiàn)了多種材料特別是碳環(huán)100%無粘連聚集的高效合成，并將膠體碳環(huán)用于構(gòu)建鋰氧電池的自支撐電極。研究表明，該工作合成的碳環(huán)顯示了較強(qiáng)的過氧化鋰沉積活性。特別是，構(gòu)建的碳環(huán)電極所具有的大孔通道極大促進(jìn)了鋰氧電池中的離子傳輸和氣體擴(kuò)散，提升了電池的電化學(xué)性能，首圈放電比容量高達(dá)20658 mAh/g。他們進(jìn)一步通過直接觀察放電過程中過氧化鋰在碳環(huán)上的成核、生長及其隨鋰鹽濃度的動(dòng)態(tài)演化過程，理解了碳環(huán)電極體系高放電比容量的微觀機(jī)理。該工作為構(gòu)建多層次多孔電極在電催化和電化學(xué)儲(chǔ)能中的應(yīng)用提供了新途徑。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）上。

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碳環(huán)的高效合成與自支撐電極構(gòu)筑示意圖