重金属离子精准识别功能基元的设计、制备和组装：高性能重金属离子富集、分离及敏感材料

Towards the overall targets and the key scientific problems, this proposal will, on the basis of our new findings, develop general, new strategies and methods of precision recognition of heavy metal ions. We will design, synthesize and discover a series of nanostructured functional elements, explore the ways of control over their structures and investigate their structure-property relationships. Through 1D, 2D and 3D ordered assemblies, we will construct networks of 1D assemblies, ultrathin films and multi-layered ultrathin films of 2D assemblies and bulk materials of 3D assemblies. We will also explore their structure-property relationships and the ways of tailoring the structure-property relationships. The developed general strategies and methods, the nanostructured functional elements and their ordered assemblies would help realize high performance enrichment, separation and sensing of heavy metal ions in water bodies towards portable, on-site, fast and even on-line monitoring of heavy metal ions in water bodies, significantly contributing to the “Blue Sky and Blue Water Defense War”.

围绕“功能基元序构的高性能材料基础研究重大研究计划”的总体目标和核心科学问题，本项目拟在前期工作基础上，发展通用的重金属离子精准识别策略和方法，设计、合成和发现一系列不同重金属离子精准识别纳米结构功能基元，探明功能基元结构调控途径及其结构与性能的关系，进一步通过纳米结构功能基元的一维、二维和三维有序组装，获得一维网络、二维超薄膜、多层超薄膜和三维块体有序结构，并探明这些有序组装结构的结构与性能的关系和调控途径。本项目发展的策略和方法、精准识别纳米结构功能基元及其有序组装结构将助力实现水体中重金属离子的高效富集、分离及传感检测，为实现重金属离子的便携、现场、快速甚至在线监测，打赢“蓝天碧水保卫战”做出重要贡献。

重金属汞、镉、铅、铬等的生物毒性显著，难以被生物降解，能在食物链的生物放大作用下，成千百倍地富集，最后进入人体。重金属在人体内能与蛋白质及酶等发生强烈相互作用，使其失去活性，也可能在人体某些器官中累积，造成慢性中毒。因此，重金属污染是一类对环境危害极大的环境污染，如何精准识别、高效监测、富集分离及回收去除水体中的重金属离子具有重要的科学意义和实际应用。本项目的主要研究内容包括：1.不同金属硫化物、金属硒化物纳米结构识别功能基元的合成和结构调控。2.不同金属硫化物、硒化物纳米结构识别功能基元对不同重金属离子的识别性能研究。3.不同金属硫化物、硒化物纳米结构识别功能基元的有序组装及组装因素对组装结构的影响。4.不同金属硫化物、硒化物纳米结构识别功能基元的有序组装结构在不同重金属离子富集分离材料和传感器方面的应用。通过研究，本项目提出了通用的重金属离子精准识别方法策略，即溶度积规则和基于溶度积规则的精准识别重金属离子的夹心模式功能基元对。发展了一系列高效重金属离子识别功能基元，揭示了重金属离子精准识别的原子分子机制，发展了重金属离子识别功能基元的有序组装方法和技术，如功能基元三维网状链接、功能基元原位组装于一维天然纤维及其网络结构，原位制备仿生三维功能基元有序结构等，探明了调控有序组装结构的途径和因素，并将所得功能基元及其有序结构应用于不同重金属离子富集分离和传感检测，成功发展了快速、高选择性、高效便携式富集分离工具箱和高灵敏度、高选择性识别重金属离子的便携式传感器。本项目研究证实功能基元序构化可以带来一加一大于二的协同效应及一石二鸟的效果。通过项目研究，在国外内外核心期刊上共发表学术论文21篇，申请专利7项，其中授权3项，应邀做主题报告和特邀报告2次。部分研究成果被Adv. Funct. Mater.、Chem. Eng. J.、ACS Appl. Mater. Interface、Nano Res.、EST、J. Mater. Chem. A、Water Res.、J. Hazard. Mater.等著名期刊引用，得到中国科学报、科学网、中国科学院院网等媒体报道。