苏州大学王召教授团队 Nat. Commun.：二维MoS2压电催化剂加速聚合反应与水凝胶重塑
2025-02-20 来源：高分子科技
近期，苏州大学王召教授团队针对压电催化聚合反应中力活化较慢的问题，提出了一种基于二维二硫化钼（2D MoS2）压电催化剂的聚合反应策略，可在数分钟内完成聚合反应，显著缩短了反应的响应时间。此外，基于该策略制备的复合水凝胶能够在机械刺激下实时调控其力学与电学性能，展现出在智能材料领域的广泛应用潜力，例如用于水凝胶传感器、人造肌肉和可植入生物材料等。该工作以“Two dimensional MoS2 accelerates mechanically controlled polymerization and remodeling of hydrogel”为题发表在《Nature Communications》（Nat Commun 16, 1689 (2025)）上。苏州大学材料与化学化工学部硕士研究生王建为文章的第一作者，该论文得到国家自然科学基金项目的支持。
作者首先探究了不同压电材料以及机械力参数对聚合过程的影响。在超声驱动的自由基聚合反应中，与传统的块体催化剂（如ZnO和BaTiO3）相比，二维MoS2将反应时间从几个小时缩短至45分钟，展现出更高的反应效率。机械振动的强度也对聚合过程具有显著影响。以机械球磨反应为例，低频球磨（10 Hz）条件下聚合反应较慢。而在30 Hz的高频球磨反应条件下，丙烯酰胺、N,N-二甲基丙烯酰胺、丙烯酸-2-羟乙酯、N-异丙基丙烯酰胺等乙烯基单体都能够在5分钟内实现99%以上的单体转化率。
为了研究不同球磨频率对聚合过程的影响，本文采用有限元分析（FEM）进一步评估了二硫化钼的压电势分布。结果显示更高频率下的球磨作用能够增强二维MoS2的极化，加速聚合过程。同时，使用电子自旋共振（EPR）进行反应机理的验证，反应的主要活性物种为羟基自由基。并使用对苯二甲酸（TA）测定了羟基自由基产生速率，结果表明二维MoS2体系中能够在短时间内产生足量的自由基引发聚合。
研究团队还探索了一种通过机械力增强水凝胶机械性能的新方法。利用模态激振器提供的激振力作为机械刺激源，借助二维MoS2优异的力响应特性，促进聚合反应的进行，并在水凝胶内部形成第二重交联网络，从而显著改善水凝胶的机械性能。
实验结果显示，水凝胶在激振器上“训练”1小时后，其储能模量相较于振动前提升了13倍，拉伸性能也得到大幅度提高。此外，研究团队还探究了水凝胶在力响应过程中的电导率变化，揭示了力诱导聚合与凝胶电性能之间的潜在关系。
研究报道了一种高效的力诱导聚合反应方法，并成功构建了一种具有自适应特性的智能水凝胶。二维MoS2在催化水溶性单体的自由基聚合反应中表现出优异催化性能。通过在超声和球磨等典型机械化学条件下进行聚合实验，发现球磨法能够显著增强压电催化剂的极化效果，从而在几分钟内实现单体的完全转化。此外，二维MoS2对力响应灵敏，水凝胶在模态激振器上“训练”1小时后，内部形成第二重交联网络，显著提升机械性能和离子电导率。
链接地址 https://doi.org/10.1038/s41467-025-57068-2
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（责任编辑：xu）
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