二维材料纳米卷的通用制备方法及其在导电高分子复合材料中的应用

Nanoscrolls are one-dimensional (1D) nanomaterials that form by rolling up two-dimensional (2D) materials sheets. Nanoscroll is also the curled conformation of a 2D macromolecule. Nanoscrolls have some unique properties, and show broad applications in the areas from catalysis to energy storage. However, nanoscrolls have not been investigated systematically, and there are still some unsolved problems. The current preparation methods are complicated, and depend on special properties of the raw 2D materials, thus there is no general method for the preparation of nanoscrolls. Besides, the formation mechanism of nanoscrolls is still unclear. Therefore, in the project, we will conduct a comprehensive investigation on the nanoscrolls of 2D materials. First, we will devise a simple and universal method, high-boiling-point organic solvent assisted lyophilization (HOSAL), for preparing nanoscrolls. Also, we will try to reveal the formation mechanism of nanoscrolls, and explain how experimental parameters can influence the formation of nanoscrolls. Moreover, we are going to use HOSAL method to prepare composite nanoscrolls, and develop a novel strategy of constructing functional 1D nanomaterials based on HOSAL. Finally, we will implement the strategy to design and prepare two high-performance conducting polymer/chemically modified graphene composite nanoscrolls, as photo-detector and electrode material of supercapacitor. The overall goals of this project are to develop a universal method of preparing nanoscrolls and their composites, to establish the theory of nanoscrolls, and to promote the development of this exciting area.

纳米卷是由二维材料卷曲而成的一维纳米材料，也可看做是二维大分子的一种卷曲构象，它具有很多独特的性质，在催化、能源存储等领域具有广阔的应用前景。目前，二维材料纳米卷的研究中存在的主要问题包括：现有的纳米卷制备方法比较复杂，需要利用特定二维材料体系的性质，缺乏通用的纳米卷制备方法；纳米卷形成的机理尚不明确。为解决上述问题，在本项目中我们将对二维材料纳米卷进行系统研究。首先我们将建立一种简单、普适的制备方法：高沸点有机溶剂辅助冷冻干燥法，用于制备二维材料纳米卷；其次我们将探索二维材料的卷曲机理；我们还将开发制备复合纳米卷的通用方法，并将其发展成为构筑功能一维纳米材料的新策略；最后，利用这种策略，我们设计制备两种高性能导电高分子复合纳米卷，用于光探测器和超级电容器电极材料。通过上述研究，我们期望能建立二维材料纳米卷及其复合材料的通用制备方法，发展相应的理论，推动这一领域的发展。

纳米卷是由二维材料卷曲而成的一维纳米材料，也可看做是二维大分子的一种卷曲构象，它具有很多独特的性质，在催化、能源存储等领域具有广阔的应用前景。目前，二维材料纳米卷的研究中存在的主要问题在于：现有的纳米卷制备方法比较复杂，需要利用特定二维材料体系的性质，缺乏通用的纳米卷制备方法；纳米卷形成的机理尚不明确。本项目针对上述问题开展了系统研究，主要研究内容和成果包括：（1）发展了一种通用的二维材料纳米卷的制备方法：高沸点有机溶剂辅助冷冻干燥法，利用该方法制备了二硫化钼、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯纳米卷，并实现了对纳米卷形貌的控制。（2）阐明了二维材料的卷曲机理，提出有机溶剂的不对称挥发导致二维材料表面张力的不对称性，从而驱动二维材料发生卷曲。（3）建立了使用高沸点有机溶剂辅助冷冻干燥法制备二维材料包裹其他纳米材料复合纳米卷的策略，提出机械包裹的原理，解决了静电斥力材料难以组装形成良好复合材料的问题。（4）开发了二维材料纳米卷的应用，制备了还原氧化石墨烯纳米卷柔性电极并研究其在固态超级电容器中的应用，发展了自支持结构的聚苯胺/还原氧化石墨烯复合纳米卷和纳米硅/还原氧化石墨烯复合纳米卷，探索了其在超级电容器和锂离子电池中应用。总之，本项目所阐明的二维材料纳米卷的形成机理，对设计二维材料纳米卷的后续工作具有指导借鉴意义。本项目所发展的纳米卷制备方法具有较高的普适性，有效地推动了二维材料纳米卷领域的发展。