科学家发现聚合物到晶态材料的晶化机制，补上钛溶液研究又一拼图

从 2021 年刘朋昕在上海科技大学成立课题组之后，他们的一个研究重点就放在溶液中二氧化钛的结晶、生长和相变上。

二氧化钛作为一种具有重要工业用途的氧化物已经被研究了很多年。二氧化钛的结构调控、性质探索和工业应用已经非常成熟。因此这个研究方向并不是前沿和热门的研究方向。

但是他们发现，二氧化钛材料的生长还有许多基础的问题没有解决。这些没解决的问题，如果不去研究，就很难想象解决了以后会给整个领域带来什么。在科学史上科学发现晚于实际应用的例子比比皆是。新的知识被发现后，又完全改变了实际应用的例子也比比皆是。所以即便这个方向过于基础，又不属于前沿热门领域，他们还是想花时间和精力做一些研究。

在近期一项研究中，该团队的主要发现是理解了一种特殊形貌、特殊晶态二氧化钛材料，即青铜相二氧化钛纳米片的生长机理。

这种材料的合成方法于 2010 年是由清华大学王训教授和相国磊（现为北京化工大学教授）等报道的。刘朋昕在读博的时候就看到了这篇论文，他后来用这种材料发展了一种催化剂的重要合成方法，相关论文随后于 2016 年发表于Science期刊，他因此获得了博士学位和一系列的荣誉和奖项。

但在当时他和合作者只是使用了这种二氧化钛材料，并没有想到去研究它。其实后来仔细一想，这个材料为什么能被合成本身就很有意思。很多基础的问题，例如为什么是青铜相这种特殊的亚稳态，以及为什么是只有两个钛原子层厚的超薄二维结构，都没有答案。

在随后的几年里，刘朋昕慢慢发现不同的课题组都报道了青铜相二氧化钛纳米片的合成。与 2010 年的方法相比，同行的合成方法虽然使用了不同的钛原料，但都使用了乙二醇这种溶剂。这非常有意思，乙二醇也许是合成这种材料的关键。也许这个因素一直被大家忽略了，因为乙二醇是溶剂热合成方法里很常见的一种溶剂。而这只是一个猜测。在当时，他和学生仍然没有怎么研究这个体系的思路。

直到 2022 年，他们才找到了突破口。一个学生在做一个与这个体系不相关的课题时，发现了钛氧簇类化合物的重要作用。他们马上想到，青铜相二氧化钛纳米片的合成中，也许也经历了这一类化合物的形成。

他们在检索文献之后发现，有一种钛氧簇类化合物居然通过乙二醇就能够稳定，是一个一维方向上无限延展的分子链，也可以看成一种金属有机配位聚合物。需要说明的是，这个物质是中国科学院过程工程研究所的王丹研究员早在 1999 年就已报道过的。

很快刘朋昕等人就发现这两个看似无关的体系实际上是直接相关的，也解释了青铜相二氧化钛纳米片的二维结构、亚稳晶态结构、表面配位结构等形成的原因。

除了纳米片的生长机理以外，这个工作的另一个重点是发现一种从结构精确的配位聚合物到晶态材料的晶化机制。传统认知里水热反应中的溶胶凝胶化学基本是通过单体-单体聚合发生的，像砖头一块一块垒起墙壁。他们发现的这种一维聚合物的定向附着，更像是一块块预制板拼在一起的材料晶化路径。

与此同时，这个工作也是他们在钛的溶液化学研究中的第二块拼图。

日前，相关论文以《通过一维配位聚合物的定向附着实现二维 TiO2 纳米片的结晶》（Crystallization of 2D TiO2Nanosheets via Oriented Attachment of 1D Coordination Polymer）为题发在Nano Letters[1]。Fan Wu 是第一作者，刘朋昕担任通讯作者。

而在接下来，他们会围绕钛离子、钛化合物、二氧化钛等方面继续探索。

参考资料：

1.Wu, F., Fan, L., Chen, Y., Chen, S., Shen, J., & Liu, P. (2025). Crystallization of 2D TiO2 Nanosheets via Oriented Attachment of 1D Coordination Polymer.Nano Letters, 25(1), 56-62.

排版：何晨龙