二维共轭聚合物（two-dimensional conjugated polymers, 2DCPs）是一类兼具二维周期结构与π共轭骨架特征的新型有机功能材料。由于其具有可设计的拓扑结构、丰富的电子结构、较大的比表面积以及优异的光电性质，二维共轭聚合物在催化、能源、传感、光电器件和有机电子学等领域展现出重要应用潜力。然而，二维共轭聚合物的发展长期面临一个核心挑战：如何在温和条件下实现材料的快速、可规模化和高稳定性制备。
近日，课题组在二维共轭聚合物研究方面取得重要进展，相关成果以“Highly Stable Two-Dimensional Conjugated Polymers Enabled by Scalable and Irreversible C−C Cross-Coupling Reactions”为题发表在国际知名期刊Advanced Materials上。该工作提出了一种基于不可逆C−C交叉偶联反应的二维共轭聚合物构筑新策略，在室温条件下实现了高稳定二维共轭聚合物的快速制备，在兼顾结构有序性的同时显著提升了材料的化学稳定性。
作者以多取代芳基溴化物和锡化物为单体，P(t-Bu)3 Pd G3作为催化剂，在室温条件下可以在数分钟内完成聚合制备多种具有不同拓扑结构的二维共价有机聚合物UCAS-1~6，体现了该方法的普适性。以材料UCAS-1为例，该方法还可以制备自支撑薄膜和实现克级放大制备（图1），显示出优异的合成效率和规模化潜力。
图1: UCAS-1的粉末与自支撑薄膜的合成
作者通过Raman光谱、FT-IR光谱、SSNMR、XPS、UV-vis光谱以及UPS对UCAS-1的化学组成和性质进行了表征分析，通过PXRD、HR-TEM、SEM、AFM等关键表征证实并分析UCAS-1的二维层状结构（图2）。通过氮气吸附-脱附测试测得UCAS-1的BET比表面积达到488 m2g-1，显著高于同类无定形材料。UCAS-1同时表现出突出的环境耐受能力：经强酸、强碱、沸水、强氧化剂和强还原剂等极端条件处理后仍能保持结构稳定；TGA显示10%失重温度达到637 °C，体现出优异的化学稳定性和热稳定性。
图2: UCAS-1的表征
在应用方面，UCAS-1展现出优异的光催化性能（图3）。在镍/光协同催化C−N交叉偶联反应中实现超过99%的产率；在芳基硼酸氧化羟基化反应中同样可获得超过99%的产率。更重要的是，UCAS-1在多次循环使用以及经极端条件处理后仍能维持较高催化效率，显示出其在苛刻反应环境中的应用潜力。
此外，作者进一步制备了自支撑UCAS-1薄膜，并构筑有机光电突触器件（图4）。该器件能够模拟典型突触行为，并在100 °C高温、100%湿度、强酸和强碱环境下保持稳定响应；器件在126000次工作循环后仍保持良好功能，展现出该类二维共轭聚合物在耐受型光电子器件、人工视觉和类脑计算等方向的应用前景。
图4：有机光电突触
综上，该研究实现了从不可逆C−C偶联合成、π−π自模板二维生长机制，到高稳定光催化与光电突触应用的系统突破，为高稳定二维共轭聚合物的可规模化构筑及其在极端环境功能器件中的应用提供了新的材料基础和设计思路。
论文第一作者为课题组2024届博士毕业生马博维、课题组副研究员谢文斌博士，通讯作者为课题组黄辉教授和史钦钦教授。
原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202522500.