二维纳米材料的配位改性、多层级多维自组装及其超级复合应用

In this project, we aim to establish a universal and effective strategy for the chemical modification, scalable production and hierarchical assembly of two-dimensional (2D) nanomaterials through dynamic coordination interactions between 2D nanomaterials and polymeric ligands. Firstly, this project will articulate the effects of dynamic coordination interactions on the chemical modification and scalable production of 2D nanomaterials experimentally and theoretically. Secondly, this project will further realize the controllable and tunable hierarchical assembly of 2D nanomaterials by understanding and regulating the nature of dynamic coordination interactions regarding complex supramolecular systems. In this way, novel, multi-dimensional heterostructures will be created, which can effectively integrate the intriguing functionalities of all building blocks and achieve prominent morphological and constitutional synergies. Last but not least, this project will explore the root of these morphological and constitutional synergies theoretically, as well as their role in such high-end applications as high-activity molecular probes and catalyst systems, and high-capacity flexible electrode materials. Moreover, dynamic coordination interactions will also be employed to construct interfacial interactions between polymeric matrices and 2D nanomaterials (nanofillers), thereby developing high-performance robust, flexible polymeric super nanocomposites.

本项目申请在深入研究二维纳米材料独特分子结构的基础上，提出利用聚合物配体和二维纳米材料之间的动态配位作用从而建立通用、有效的二维纳米材料宏量改性制备和多层级多维自组装方法。拟将实验和模拟手段相结合来明确阐释动态配位作用的机制对二维纳米材料改性制备的影响，并进一步地通过深入理解二维纳米材料这类超分子体系动态配位作用的本质，通过对动态配位作用进行有效地调节从而实现其可控、可预期的多层级多维自组装，构筑新颖的多维异质结构，充分发挥组份、形貌协同效应。在理论上预言并阐释组份、形貌协同效应的产生机制，并利用协同效应探索多维异质结构在不同领域的高端应用。一方面，通过基底材料和活性组份的特定匹配开发高灵敏度微型分子探针和催化体系以及高容量柔性电极材料；另一方面，利用构筑二维纳米材料与聚合物基体之间的动态配位作用从而开发出功能协同、性能量级提高的强韧超级复合材料，为纳米复合体系的应用开拓新生面。

研究主要针对以石墨烯、六方氮化硼、过渡金属硫化物氧化物以及MXene为代表二维纳米材料，尤其对不能使用通常碳化学手法进行表面改性的六方氮化硼、过渡金属硫化物氧化物，巧妙地利用其分子所拥有的配位原子，通过金属离子配位构筑了聚合物配体和二维纳米材料之间的动态配位作用从而建立通用、有效的二维纳米材料改性制备和多层级多维自组装方法，在《Small》杂志上发表了相关综述论文，系统地总结了这方面的工作。并利用配位等动态相互作用，提出了制备高强高拉伸纳米复合凝胶的新策略——多重键合网络凝胶，确保了高强高拉伸自修复水凝胶的应用扩张，尤其是在柔性可穿戴器件上的应用。由于其方法简捷和有效性已经越来越多的被国内外同行应用于凝胶制备研究。一篇作为VIP文章2017年发表在《德国应用化学》上，引用已超290次，为ESI文章。进一步将多重键概念推广到聚合物多元共混，给出了塑料物理回收高值再利用和制备功能协同、性能量级提高的超级复合材料新策略。2017年发表在“Polymer”上的文章被Elsevier出版集团授予"Feng Xinde Polymer prize”，研究工作还被《Science》杂志上的文章给予介绍。刚刚公开发表在JACS Au上的美国明尼苏达大学Ellison教授的论文对我们工作有大段引用并评价为：”This work represents an ambitious new direction in the field of using highly tailored MBCP compatibilizers to address more complex multicomponent blends that better simulate real-life waste streams”. 2019年在由Elsevier出版的新书《Compatibilization of Polymer Blends》上应邀撰写作了一个章节。