无机纳米片与石墨烯的可控组装及其纳米复合体的光化学电化学性能

A systematic investigation on the allogeneic assembly behaviors of inorganic nanosheets (IONS) including metal oxides and hydroxides (such as manganese dioxide, layered double hydroxides) and graphene/graphene oxide nanosheets, as nanocrystal building blocks, is proposed in this project. Based on the investigation, this project aimed at the performance-oriented fabrication of differently structural nanocomposites, in which the IONS could play the advantageous role in the electrochemistry, luminescence, catalytic performance, etc., fulfilling the complementarity and performance optimization of IONS and graphene, and further giving nanocomposites with novel features. The work will focus on the followings. (1) Through studying on factors of, mainly, the IONS species, the additives including flocculants, dispersing agents, stabilizers, templates, etc., and reduction (methods employed, the reductant species and applying orders), the reaction process and mechanism will be explored for the allogeneic assemblies; (2) by researching the relationship between the composition，structure and the performance of assembled nanocomposites, the basis will be provided for the design of nanocomposites with specific structures and functions, in order to achieve a adjustment of the nanocomposite structures; and (3) the potential applications of the assembled nanocomposites, as a novel class of materials, will be explored in lithium ion batteries, photocatalysis, photoluminescence and others. This study involved the fields of materials physics and chemistry, crystallography, soft chemistry, colloid chemistry, electrochemistry, photochemistry, etc., will increase the accumulation of knowledge in related areas, therefore having the theoretical and practical values.

本项目提出系统研究金属氧化物（如层状二氧化锰）和金属氢氧化物（如层状双金属氢氧化物）等无机纳米片，与石墨烯/氧化石墨烯纳米片作为纳米晶体建筑构件的组装行为；旨在以性能为导向，制备不同结构的纳米复合体，从而发挥无机纳米片在电化学、发光、催化等性能方面的优势，实现它们与石墨烯的性能互补与优化，并进一步赋予纳米复合材料以新的功能。研究集中于：①通过重点考察无机纳米片种类、助剂（包括絮凝剂、分散剂、稳定剂、模板等）、还原（方式和还原剂种类、引入次序）等因素，探索异体组装的反应过程和机理；②研究复合体组成、结构与相关性能的关系，为设计具有特定结构和功能的异体组装纳米复合体提供依据，实现复合体结构的可控调节；③探索纳米复合体作为一类新型材料在锂离子电池、光催化、光致发光等方面的应用。本研究涉及材料物理和化学、结晶学、软化学、胶体化学、电化学、光化学等领域，将增加这些方面的知识积累，具有理论和应用价值。

自2004年石墨烯被分离以来，有关石墨烯及石墨烯基复合材料的应用研究在高影响因子期刊上发表的学术论文数量和申请专利数量在2014年达到最高峰（S. Park, Nature Reviews Mater. 2016, 1, 16085.）。近年来，越来越重视其他成分和结构的二维晶体的研究，本项目就是在这样的背景下实施的。按照计划对金属氧化物（层状钛酸盐、层状锰酸盐等）和金属氢氧化物（层状双金属氢氧化物LDHs、层状稀土氢氧化物LRHs）等无机纳米片的制备及其性能，无机纳米片与石墨烯组装过程及其复合材料的制备进行了深入、广泛地研究。（1）对不同体系无机层状化合物的合成及其纳米片的相关研究，提出了LDHs二维晶体的直接合成法，从氧化钛纳米片出发制备高暴露{010}晶面锐钛矿型TiO2的方法，LRHs纳米片制备、层层（LbL）组装的方法，层状锰酸锂的溶剂热合成技术；（2）石墨烯和氧化石墨烯（GO）的研究包括：柠檬酸水热处理对GO/rGO结构的作用，单层及数层纳米片的结构因子计算及XRD模拟，石墨烯的LbL组装等；（3）无机物、无机纳米片与石墨烯/GO的组装过程和性能的研究包括：锂电池电极材料——石墨烯基包覆CoO/CoFe2O4复合材料的制备，LDHs在石墨烯表面原位生长复合材料的制备，石墨烯和磷酸铁锂复合体的制备，超薄TiOx纳米薄膜对石墨烯及石墨烯基二氧化锡的修饰作用，石墨烯基铅的复合材料的制备，银纳米片/GO复合材料的制备及其电催化CO2还原性能，GO稳定LDHs单层纳米片及其复合材料的磷吸附性能，LRHs层间石墨烯的合成及其复合材料的荧光性质；（4）其他研究包括：LDHs与高分子复合体的磷吸附材料和不同体系材料的电化学、发光性能等。这些成果多数反映在标注基金资助的29篇学术论文和申请的18项发明专利中。培养了多名研究生、本科生，进行了国内外学术交流合作。本项目增加了二维晶体/材料有关的知识积累。