华南理工大学与阿克伦大学合作团队在《CCS Chemistry》发表有序介孔磁性陶瓷材料研究新突破

一、研究团队与发表信息
本研究由华南理工大学软物质科学与技术高等研究院、美国阿克伦大学高分子科学系等机构合作完成，通讯作者为程正迪（Stephen Z. D. Cheng）和冯雪岩（Xueyan Feng），第一作者为郭庆云（Qing-Yun Guo）和李兴汉（Xing-Han Li）。研究成果于2025年发表在《CCS Chemistry》第7卷，论文标题为《Ordered Mesoporous Magnetic Ceramics from Single-Source Self-Assembled Ferrocene-Functionalized Giant Molecules》。

二、学术背景与研究目标
介孔材料（mesoporous materials，孔径2–50 nm）在催化、分离、生物医学等领域具有重要应用价值。传统研究多关注高孔隙率，而忽视了多功能性（如磁学性能）的集成。磁性纳米材料虽在催化剂回收、水污染处理等领域应用广泛，但其介观结构控制仍缺乏系统性研究。

本研究提出了一种创新策略：通过热解单源自组装巨分子（giant molecules），制备兼具有序介孔结构和铁磁性的陶瓷材料。目标包括：
1. 开发一种可精确调控介孔结构、磁性与宏观形貌的新方法；
2. 探索此类材料在污染物吸附等领域的应用潜力。

三、研究流程与方法
1. 巨分子设计与合成
- 研究对象：设计两种巨分子4dPOSS-PS24-4Fc和4dPOSS-PS28-2Fc，核心结构为二羟基功能化多面体低聚倍半硅氧烷（dPOSS，提供陶瓷前驱体）、聚苯乙烯（PS，自组装驱动链段）和二茂铁（Fc，磁性来源）。
- 合成步骤：
- 通过原子转移自由基聚合（ATRP）合成两端叠氮化的PS链；
- 通过铜催化叠氮-炔环加成反应（CuAAC）连接Fc单元和POSS笼；
- 通过硫醇-烯点击反应修饰POSS表面羟基。
- 创新点：采用热引发而非光引发硫醇-烯反应，避免二茂铁对紫外光的吸收干扰。

1. 自组装与结构表征

   • 方法：将巨分子在130°C退火2小时，通过小角X射线散射（SAXS）和透射电镜（TEM）分析。
     
   • 结果：两种巨分子均形成六方柱状相（Hex），柱间距分别为12.8 nm和12.7 nm。
     

2. 热解与陶瓷制备

   • 程序：以1°C/min升温至600°C并保持2小时，在空气中对自组装样品热解。
     
   • 表征：
     
     • SAXS和TEM证实热解后保留六方介孔结构；
       
     • X射线光电子能谱（XPS）和广角X射线衍射（WAXD）显示产物含SiO₂及γ-Fe₂O₃/α-Fe₂O₃纳米颗粒；
       
     • N₂吸附测试显示比表面积达707 m²/g，孔径分布均匀（4.3±0.6 nm）。
       

3. 磁性与应用验证

   • 磁性测试：热解产物MC-1和MC-2均呈现铁磁性，饱和磁化强度分别为4.3 emu/g和2.6 emu/g。
     
   • 应用实验：以罗丹明B（RhB）为模型污染物，MC-1吸附容量达748.8 mg/g，5次循环后去除率仍保持97%。
     

四、主要研究结果
1. 结构控制：通过巨分子自组装精确调控介孔尺寸与形貌，热解后结构收缩约25%，但有序性保留。
2. 磁性调控：Fc单元数量直接影响陶瓷磁性强弱，为功能化设计提供依据。
3. 应用性能：高比表面积与磁性结合，实现污染物高效吸附与磁分离。

五、结论与价值
1. 科学价值：
- 提出“单源巨分子热解法”，突破了传统软模板法的两亲性限制；
- 首次实现介孔陶瓷的磁性与结构同步可控。
2. 应用价值：为水处理、催化载体等需求多功能材料的领域提供新解决方案。

六、研究亮点
1. 方法创新：将巨分子自组装与热解结合，实现介孔-磁性一体化设计；
2. 多功能集成：材料兼具高孔隙率、铁磁性和可加工性（如薄膜、块体制备）；
3. 精准调控：通过分子设计调控磁性与介孔参数，如Fc单元数量影响饱和磁化强度。

七、其他价值
研究展示了巨分子在纳米结构工程中的潜力，为后续开发更多功能化介孔材料（如导电、光学性能）奠定基础。