新型螺旋多肽自组装体系的开发及其在超级电容器中的应用

Self-assembled nanomaterials by helical peptides are of great significance in bioinspired synthesis and applications in the field of new bio-nano optoelectronic devices. However, due to the complexity of peptide molecules and their various self-assembling pathways, de novo design of self-assemble helical peptides with high controllability and tunability is challenging. Here, based on the previously developed “chiral center induced helical peptide” system, we propose a novel self-assembly mode, namely as “cross-linking tether driven self-assembly”. The self-assembling behavior can be tuned just through adjusting the in-tether substitutional groups and the configuration of the chiral center. Our research work will focus on three points: 1) explore the self-assembling conditions for those helical peptide; 2) Investigate the detailed self-assembly mechanism by utilizing experimental and simulations tools; 3) The use of these helical peptide self-assembled nanomaterials in supercapacitor for energy storage layer for the first time. We will study the electrochemical performance of the peptide electrodes by using a three-electrode cell and a two-electrode system. Based on these results, we will clarify the relationship of “sequence-structure-performance”. We are trying to reveal the merits and demerits of peptide nanomaterials as energy storage materials.

螺旋多肽自组装纳米材料在仿生合成，以及在新型生物纳米光电器件领域的应用，都具有重要的意义。然而，多肽分子结构复杂，自组装途径多样，可调控的从头设计螺旋多肽的自组装是一重大难点。申请人根据长期从事稳定螺旋多肽方法学构建的经验，在该项目中，基于前期开发的“手性诱导螺旋”体系，提出一种“侧环驱动”的螺旋多肽自组装新模式。该方法通过调节订书机多肽侧环的取代基种类和手性类型，就可以达到对多肽螺旋自组装的纳米尺度的精准调控。详细探讨螺旋多肽组装的条件，运用实验与理论计算相结合，研究螺旋多肽自组装的分子机理。多肽组装体通常结构可调，导电性能优良，无毒可降解，因此，探索性的将螺旋多肽自组装体用作超级电容器的储能材料。利用三电极和两电极体系研究电化学性能，阐述“序列-结构-性能”的内在联系，揭示螺旋多肽纳米材料作为储能材料的优势和不足。

多肽自组装是合成生物纳米材料的方法之一。目前，多肽自组装纳米材料已广泛应用于生物医学、储能、光学成像等诸多领域。本项目聚焦多肽自组装化学，拟通过合成具有特殊二级结构的环肽，发展新颖的多肽自组装体系，并阐明自组装发生的路径和机制。在此基础上，研究多肽纳米材料的光学和电学性能，旨在揭示多肽结构与材料性能之间的内在联系。进而探索性地将多肽纳米材料应用于超级电容器，拟阐明多肽纳米材料作为超级电容器储能材料的若干科学问题，为今后发展基于多肽纳米材料的储能器件提供依据。本研究一共分为三个部分。首先，完成了两种螺旋多肽自组装体系的构建，并提出了“侧环驱动”和“自氧化催化”两种组装模式，揭示了自组装发生的分子机制。进而研究了外在因素对自组装行为的影响，表征了自组装纳米材料的形貌和微观结构，测试了多肽纳米材料的光电性能。其次，发展了基于多肽以及多肽复合电极的超级电容器。制备了基于多肽纳米材料的柔性电极，研究了多肽纳米材料作为超级电容器储能材料的可行性，进而组装了超级电容器器件，研究了超级电容器器件的循环性能、稳定性和折叠性能。在获得已有结果的基础上，不局限于先前设定的目标，制备了多肽复合电极和以多肽为模板的无机纳米材料电极，极大地拓展了多肽纳米材料作为电极活性材料的功能和应用范围。最后围绕限制多肽超级电容器性能的关键因素，发展了多种适用于多肽储能器件的柔性电极和凝胶隔膜材料。这些研究为后续开发新型的多肽功能材料、研制基于多肽的生命电子器件提供了有益的借鉴。.在本项目的支持下，已发表Nano Energy、CCS Chemistry、Small、Bioactive Materials、Chemical Communications等论文8篇，另有2篇论文在撰稿中，2项中国发明专利在递交申请中。