蘇州大學王召教授團隊 Nat. Commun.：二維MoS2壓電催化劑加速聚合反應與水凝膠重塑
2025-02-20 來源：高分子科技
近期，蘇州大學王召教授團隊針對壓電催化聚合反應中力活化較慢的問題，提出了一種基于二維二硫化鉬（2D MoS2）壓電催化劑的聚合反應策略，可在數分鐘內完成聚合反應，顯著縮短了反應的響應時間。此外，基于該策略制備的復合水凝膠能夠在機械刺激下實時調控其力學與電學性能，展現出在智能材料領域的廣泛應用潛力，例如用于水凝膠傳感器、人造肌肉和可植入生物材料等。該工作以“Two dimensional MoS2 accelerates mechanically controlled polymerization and remodeling of hydrogel”為題發表在《Nature Communications》（Nat Commun 16, 1689 (2025)）上。蘇州大學材料與化學化工學部碩士研究生王建為文章的第一作者，該論文得到國家自然科學基金項目的支持。
作者首先探究了不同壓電材料以及機械力參數對聚合過程的影響。在超聲驅動的自由基聚合反應中，與傳統的塊體催化劑（如ZnO和BaTiO3）相比，二維MoS2將反應時間從幾個小時縮短至45分鐘，展現出更高的反應效率。機械振動的強度也對聚合過程具有顯著影響。以機械球磨反應為例，低頻球磨（10 Hz）條件下聚合反應較慢。而在30 Hz的高頻球磨反應條件下，丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸-2-羥乙酯、N-異丙基丙烯酰胺等乙烯基單體都能夠在5分鐘內實現99%以上的單體轉化率。
為了研究不同球磨頻率對聚合過程的影響，本文采用有限元分析（FEM）進一步評估了二硫化鉬的壓電勢分布。結果顯示更高頻率下的球磨作用能夠增強二維MoS2的極化，加速聚合過程。同時，使用電子自旋共振（EPR）進行反應機理的驗證，反應的主要活性物種為羥基自由基。并使用對苯二甲酸（TA）測定了羥基自由基產生速率，結果表明二維MoS2體系中能夠在短時間內產生足量的自由基引發聚合。
研究團隊還探索了一種通過機械力增強水凝膠機械性能的新方法。利用模態激振器提供的激振力作為機械刺激源，借助二維MoS2優異的力響應特性，促進聚合反應的進行，并在水凝膠內部形成第二重交聯網絡，從而顯著改善水凝膠的機械性能。
實驗結果顯示，水凝膠在激振器上“訓練”1小時后，其儲能模量相較于振動前提升了13倍，拉伸性能也得到大幅度提高。此外，研究團隊還探究了水凝膠在力響應過程中的電導率變化，揭示了力誘導聚合與凝膠電性能之間的潛在關系。
研究報道了一種高效的力誘導聚合反應方法，并成功構建了一種具有自適應特性的智能水凝膠。二維MoS2在催化水溶性單體的自由基聚合反應中表現出優異催化性能。通過在超聲和球磨等典型機械化學條件下進行聚合實驗，發現球磨法能夠顯著增強壓電催化劑的極化效果，從而在幾分鐘內實現單體的完全轉化。此外，二維MoS2對力響應靈敏，水凝膠在模態激振器上“訓練”1小時后，內部形成第二重交聯網絡，顯著提升機械性能和離子電導率。
鏈接地址 https://doi.org/10.1038/s41467-025-57068-2
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（責任編輯：xu）
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