响应型多孔二维杂化材料的制备、组装及应用研究

In this project, we will develop a kind of novel material with multi-stimuli responsive behavior, nano-porous structure and hierarchical organization. Starting from the hybrid building blocks, which are made up by responsive polymer modified two dimensional graphene sheets, the buiding blocks will be assembled into macroscopic assemblies ranging from 1D to 3D. The nano-porous structure of polymers will be realized by Friedel-Crafts crosslinking. There are four advantages of this material: (1) the spiropyran molecules endow multi-stimuli responsive behavior of the hybrid building block; (2) the polymer decoration can effectively prevent graphene sheets from restacking, which greatly enhanced the utilization of the high specific surface area of 2D nanosheets; (3) abundant meso- or micropores will be introduced to the macroscopic assemlie by Friedel-Crafts crosslinking; (4) the stimuli responsive behavior and porous structure will be extended to macro-scale. In general, profit from the synergistic effect ranging from nanoscale to macroscale, the advantages of both functions and structures will be fully exploited. The synthesis, responsing behavior and assembling properties of the building block will be studied. The relationships of molecular, pore and assembly structures will be revealed. The application of this kind of material will be further explored.

本项目拟通过以响应型高分子修饰的二维石墨烯片为构筑基元，通过组装形成一维到三维宏观组装体，再利用超交联法对高分子@石墨烯构筑基元进行化学交联，制备具有多重刺激响应-多孔结构-多级组织的新型材料。该材料的优势体现在（1）利用螺吡喃的修饰赋予杂化构筑基元多重响应行为；（2）利用高分子修饰石墨烯片层，极大程度地阻止了片间的共轭堆叠，更有效地利用了二维纳米片的高比表面积特性；（3）傅克超交联反应向片层引入了丰富的中微孔结构；（4）宏观组装材料将多重响应行为以及微观的多孔结构集成与放大。总体来讲，利用纳观-微观-宏观的协同效应，实现智能型多级材料功能特性与结构特性的发挥。本项目拟着重研究响应型高分子@石墨烯的合成制备方法；揭示该杂化构筑基元的响应行为和宏观组装特点，弄清其影响因素；进一步厘清响应分子-微孔结构-宏观材料之间的协同作用规律，并以该规律指导材料的进一步应用。

我们从响应型功能组分修饰的二维构筑基元出发，利用多样化的交联与组装方式，实现了具有多重刺激响应-多孔结构-多级组织的新型杂化材料的制备，揭示了材料多组分构筑单元间的协同效应和结构-性能关系，并利用该规律指导材料应用于污染物智能响应、高效吸附和能量存储于转化等领域。代表性研究成果如下：（1）制备了一类（响应型）双亲孔道纳米片及其宏观组装材料，双亲基团明显提升了孔隙利用率，实现二硝基甲苯的快速吸附；加之刚性纳米片组装形成机械性能良好的多孔膜材料，有利于溶液的快速流通，从而有效提升水通量（1.3×104 L m-2 h-1 bar-1），实现污染物连续快速处理。（2）实现了基于螺吡喃基团的多重响应毛发状多孔聚合物纳米球的构筑，在保证快速吸附的同时，可对多种外界环境刺激进行可视化响应。（3）提出了一种一体化的智能多孔聚合物吸附剂材料，将化学环境敏感、可视化响应、超快速吸附（10秒达到吸附平衡98%）以及简易化再生等性能集成化，实现了污染物检测与快速吸附的双重功能。在本项目资助下，项目负责人发表SCI论文6篇，包括1篇Adv Mater、1篇Adv Funct Mater、3篇Carbon、1篇Polymer，其中通讯/第一作者论文5篇；申请中国发明专利2项，其中已授权1项。项目执行期间，项目负责人获得2018冯新德高分子奖“最佳论文”提名奖。协助培养博士研究生7名（已毕业4人），硕士研究生1名（已毕业1名），本科生4名（已毕业4名）。