基于超薄纳米片的复合材料和宏观组装材料的制备和功能研究

This project aims to construct nanocomposites and macroscopically assembled functional materials based on the ultrathin nanosheets as structural units, including neutral graphene, MoS2 and negatively-charged TiO2, MnO2 nanosheet. Novel solution-phase exfoliation strategies are intended to develop for the synthesis of high-quality, well-dispersed, ultrathin nanosheets. On the one hand, two-dimensional nanocomposites are planned to be fabricated by loading or coating metal, semiconductor nanoparticles and polymers with different structures and shapes on the surfaces of chemically-active nanosheets, such as MoS2, TiO2 and MnO2. Advanced functionalities are explored under the synergistic effects of the components and structures. On the other hand, various assembly techniques, such as flow-induced assembly, interface assembly, layer-by-layer (LBL) technique and LB strategy are applied to induce the assembly of nanosheets on a macroscopic scale. Furthermore, covalent and noncovalent interactions,such as hydrogen bonds, electrostatic interactions,van der Waals interactions, π-π conjugated interactions and hydrophilic/phobic interactions, are invovled in the fabrication of macroscopic nanosheet assemblies through physical process or chemical reaction. The assembly mechanisms of macroscopic materials are further investigated by the detailed structural and compositional characterizations of dynamic light scattering technique (DLS), atomic force microscoppy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), scanning electron microscopy (SEM), FT-IR, Raman spectrum, and X-ray diffraction (XRD), etc. We would like to study the advanced optical, electronic and mechanical properties of these novel nanosheet collections and develop their promising applications in the fields of energy strorage devices, catalysts, sensors, separation and environmental materials, biological engineering etc. On the basis of this project, we expect to provide an efficient and promising way to access a new family of functional materials with hierarchical structures for the practical applications.

本项目拟选取几种典型的超薄纳米片为基本的结构单元构筑功能复合材料和宏观组装材料，包括中性石墨烯和MoS2以及荷电TiO2和MnO2。探索超薄纳米片合成和剥离的新方法以及在不同溶剂中高浓度稳定分散的新技术，发展MoS2、TiO2和MnO2化学活性纳米片与不同结构和功能的金属、半导体纳米颗粒和聚合物的复合材料，探索纳米片基底与担载/包覆客体材料之间功能协同增强机理。另一方面，将这四种典型超薄纳米片作为基本结构单元，通过蒸发诱导、界面组装、层层组装（LBL）技术、LB技术等组装手段，或通过设计物理化学反应引入共价、非共价作用力，实现纳米片在一维、二维和三维不同维度上的宏观组装。研究宏观组装材料不同于单独纳米片的新型光、电、力学增强性能，开发此类功能材料在能量存储、光电转换、催化、传感以及生物工程等纳米微加工器件领域的应用前景。通过本项目的实施为功能和应用导向的新型功能材料的设计、开发提供新思路。

相比于块材，单层和少层纳米片具有二维形貌和超薄尺寸，展现了不同寻常的物理、化学或电学性质，在诸多领域具有巨大的应用潜力。本项目按项目任务书中研究计划内容实施，开展了以纳米片为基本构筑单元研制功能复合材料和宏观组装材料的研究工作，探索了纳米片与客体功能材料之间协同增强机制，通过合理设计组装单元界面作用力并发展合适的组装技术，实现了不同维度纳米片宏观组装材料的构筑，并探索此类功能材料在能源、催化和柔性电子器件领域的应用。重要研究成果如下：.通过界面作用力增强设计并发展了限域诱导组装技术，研制了高强度、高导电性的聚多巴胺衍生碳/石墨烯仿贝壳复合纤维，研究成果发表在Adv. Mater. 2018, 30, 1706435上；首次采用单分子力谱直接测量了11种组装分子和纳米片之间作用力，并结合层层组装技术，实现了最薄可自支撑、透明石墨烯薄膜的构筑，为实现材料的精准组装提供新思路，研究成果发表在Chem 2018, 4, 896上；发展了化学还原发泡组装策略，实现具有等级结构的二硫化钼/石墨烯泡沫薄膜的制备，研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12783上；进一步将构筑单元拓展金属纳米材料，利用金属-硫配位键，发展了纳米复合交联聚合法，研制了1分钟内高达96%自修复效率的超弹性凝胶，构筑了可修复抗拉伸弹性导体材料，基于所研制的弹性材料，实现了可修复可拉伸超级电容器和溶剂响应驱动器的构筑，研究成果发表在Nat. Commun. 2019, 10, 2202；Nat. Commun. 2018, 9, 2786；Adv. Mater. 2019, 31, 1900573；Chem 2017, 4, 691上。相关研究成果入选《2018研究前沿》化学与材料科学新兴前沿领域“可拉伸材料和器件”4篇核心论文唯一一项来自国内的工作。.项目执行期间在Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem, Small等国际重要学术期刊上发表第一/通讯作者研究论文15篇，授权发明专利5项。项目负责人获批国家基金委优秀青年科学基金（2019年）、安徽省自然科学基金杰出青年基金（2019年），入选教育部“长江学者奖励计划”青年学者项目（2019年），以第三完成人获得国家自然科学二等奖（2016年）。