限域反应构建新型纳米复合材料的化工基础

Energy crisis and environmental pollution have become the major issues of sustainable development of human society, and efficient use and development of new clean energy have attached great importance all over the world. The application and development of new materials is the key to solving this problem. The new mothod of confined reaction process for fabtication of novel functional nanocomposites will be developed in this project, and the novel nanocomposites with multi-scale structures will be ordered assmbled and fabricated which will be used in the field of new energy. The heterostructures will be fabricated via the spray-assisted combustion, the interlayer nanocomposites will be prepared by the intercalation assembly methods in the channel in two-dimensional layers, and the host - guest composites of mesoporose materials with semiconductor and conductive polymer will be constructed by the confined reaction in the mesopors. The methods for control the structure of nanocomposites fabricated by confined reaction will establised, and the relationship between material structure and application performance will be developed. The characteristics for mixing, heat and mass transfer, and chemical reaction at multi-scale will be studied, and the nuleation and growth mechanism of nanocomposites will investegated for the preparation processes of nanomaterials in the confined reaction systems. The microscopic mechanism for formation and growth of nanomaterials in the confined system will be revealed based on the results of experimental and theoretical calculations. These studies will improve and develop the basic theory of the chemical engineering discipline, provide guidance for the preparation at large scale of the nanocomposites with controlled structures, and provide new materials for new batteries and supercapacitores.

能源危机和环境污染已成为人类社会可持续发展的重大问题，新材料的开发和应用是解决这一问题的关键。申请项目拟发展限域反应构建新型功能纳米复合材料的新方法，实现多尺度下材料的有序组装和性能调控，探索限域反应构建纳米复合材料在新能源领域中的应用。基于高温下微液滴、层间空间及介孔孔道等限域反应环境，借助于喷雾辅助燃烧制备新型中空结构纳米复合材料，层间空间限域反应构筑插层结构纳米复合材料，介孔孔道限域组装其与半导体及导电聚合物等的主-客体复合材料等体系。建立限域反应制备纳米复合材料的结构设计与性能调控方法，阐明材料微结构与应用性能之间的构效关系。研究多尺度下限域环境中的混合、热质传递和化学反应特征，探索限域环境中材料成核生长规律，揭示限域环境中微观控制机理，完善和发展化学工程学科的基本理论，为纳米复合材料的结构可控宏量化制备提供指导，为构筑新型电池和超级电容器等提供新材料。

近年来，纳米材料合成取得突破性进展，从单纯合成和表征发展到在纳米尺度控制材料形态和结构，及通过组装等方法形成具有特定结构复合材料体系。本项目主要开展限域反应合成新型纳米复合材料新方法，实现多尺度下纳米材料的有序组装和结构控制，构建介孔及中空纳米结构、插层结构和介孔孔道组装主-客体纳米复合材料等体系。建立限域反应制备纳米复合材料的结构设计与性能调控方法，研究纳米复合材料在新型电池及超级电容器中的应用性能，揭示限域反应制备纳米复合材料微结构与应用性能之间的构效关系。.项目设计了火焰燃烧合成纳米材料多重射流燃烧反应器，借助于流体混合、火焰温度场和停留时间分布控制制备具有纳米中空结构、介孔结构以及半球异质结构等系列新颖纳米材料，提出反应器设计原理和放大准则。创新性地利用层状材料层间构筑微反应器，借助于层间限域效应以及层间距、层间客体分子和层板组成等可调变性质，实现多尺度下纳米复合材料的有序组装和结构控制，构建插层结构纳米复合材料新体系。创新性地提出反应与传质解耦并强化传质制备主-客体复合材料的方法，实现介孔孔道组装贵金属、半导体和石墨烯等量子点，复合体系兼有客体量子点和主体材料的独特性能。创新性地建立界面限域反应可控制备晶态氧化物/碳嵌入结构材料新方法，基于反应动力学和过渡态理论建立嵌入结构演化理论模型，首创晶态氧化物嵌入介孔碳多级结构材料，发现该结构能有效抑制嵌脱锂过程体积效应并使储锂容量达到石墨负极3倍以上。.项目在Nature Commun.、Adv. Mater.等期刊发表论文147篇，ESI高引论文18篇。授权发明专利41项。获2017年上海市科学技术发明一等奖，2014年上海市自然科学一等奖，2017年高等学校科学研究优秀成果奖科学技术进步奖二等奖和2015年高等学校科学研究优秀成果奖自然科学二等奖。项目组成员中，2人入选英国皇家化学会会士（FRSC)，1人入选教育部长江学者特聘教授，2人获得国家优秀青年科学基金资助。指导毕业博士研究生24人，硕士研究生45人。