從 2021 年劉朋昕在上海科技大學成立課題組之後，他們的一個研究重點就放在溶液中二氧化鈦的結晶、生長和相變上。
圖｜劉朋昕（來源：劉朋昕）
二氧化鈦作為一種具有重要工業用途的氧化物已經被研究了很多年。二氧化鈦的結構調控、性質探索和工業應用已經非常成熟。因此這個研究方向並不是前沿和熱門的研究方向。
但是他們發現，二氧化鈦材料的生長還有許多基礎的問題沒有解決。這些沒解決的問題，如果不去研究，就很難想象解決了以後會給整個領域帶來什麼。在科學史上科學發現晚於實際應用的例子比比皆是。新的知識被發現後，又完全改變了實際應用的例子也比比皆是。所以即便這個方向過於基礎，又不屬於前沿熱門領域，他們還是想花時間和精力做一些研究。
在近期一項研究中，該團隊的主要發現是理解了一種特殊形貌、特殊晶態二氧化鈦材料，即青銅相二氧化鈦奈米片的生長機理。
這種材料的合成方法於 2010 年是由清華大學王訓教授和相國磊（現為北京化工大學教授）等報道的。劉朋昕在讀博的時候就看到了這篇論文，他後來用這種材料發展了一種催化劑的重要合成方法，相關論文隨後於 2016 年發表於 Science 期刊，他因此獲得了博士學位和一系列的榮譽和獎項。
但在當時他和合作者只是使用了這種二氧化鈦材料，並沒有想到去研究它。其實後來仔細一想，這個材料為什麼能被合成本身就很有意思。很多基礎的問題，例如為什麼是青銅相這種特殊的亞穩態，以及為什麼是隻有兩個鈦原子層厚的超薄二維結構，都沒有答案。
在隨後的幾年裡，劉朋昕慢慢發現不同的課題組都報道了青銅相二氧化鈦奈米片的合成。與 2010 年的方法相比，同行的合成方法雖然使用了不同的鈦原料，但都使用了乙二醇這種溶劑。這非常有意思，乙二醇也許是合成這種材料的關鍵。也許這個因素一直被大家忽略了，因為乙二醇是溶劑熱合成方法裡很常見的一種溶劑。而這只是一個猜測。在當時，他和學生仍然沒有怎麼研究這個體系的思路。
直到 2022 年，他們才找到了突破口。一個學生在做一個與這個體系不相關的課題時，發現了鈦氧簇類化合物的重要作用。他們馬上想到，青銅相二氧化鈦奈米片的合成中，也許也經歷了這一類化合物的形成。
他們在檢索文獻之後發現，有一種鈦氧簇類化合物居然透過乙二醇就能夠穩定，是一個一維方向上無限延展的分子鏈，也可以看成一種金屬有機配位聚合物。需要說明的是，這個物質是中國科學院過程工程研究所的王丹研究員早在 1999 年就已報道過的。
很快劉朋昕等人就發現這兩個看似無關的體系實際上是直接相關的，也解釋了青銅相二氧化鈦奈米片的二維結構、亞穩晶態結構、表面配位結構等形成的原因。
除了奈米片的生長機理以外，這個工作的另一個重點是發現一種從結構精確的配位聚合物到晶態材料的晶化機制。傳統認知裡水熱反應中的溶膠凝膠化學基本是透過單體-單體聚合發生的，像磚頭一塊一塊壘起牆壁。他們發現的這種一維聚合物的定向附著，更像是一塊塊預製板拼在一起的材料晶化路徑。
與此同時，這個工作也是他們在鈦的溶液化學研究中的第二塊拼圖。
（來源：課題組）
日前，相關論文以《透過一維配位聚合物的定向附著實現二維 TiO2 奈米片的結晶》（Crystallization of 2D TiO2Nanosheets via Oriented Attachment of 1D Coordination Polymer）為題發在 Nano Letters[1]。Fan Wu 是第一作者，劉朋昕擔任通訊作者。
圖｜相關論文（來源：Nano Letters）
而在接下來，他們會圍繞鈦離子、鈦化合物、二氧化鈦等方面繼續探索。
參考資料：
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：何晨龍