稠环芳香化合物自组装制备二维碳纳米材料

In the last few years, two-dimensional (2D) carbon nanomaterials have become the focus of the material sciences owing to their unique sheet-like morphology and excellent optic/electronic properties. With planar conjugated frameworks, polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have strong self-assembly behaviors and good thermal stability, rendering them ideal candidates for carbon nanomaterials with high graphitic degrees. In this project, we will design and synthesis several types of PAHs with different aromatic frameworks and compositions. By adjusting the molecular structures and assembly conditions, the self-assembly of the synthesized PAHs will lead to the formation of 2D sheet-like aggregates, which can be converted to 2D carbon nanomaterials after the thermal treatments. We will further investigate the electrochemical properties of the obtained 2D carbon nanomaterials. The relationship between the molecular structures of PAHs and the performances of the 2D carbon nanomaterials will also be concluded. The results of this project will provide new applications for PAHs and offer the opportunities to control the morphology and properties of 2D carbon materials in molecular level.

二维碳纳米材料因为具有特殊的片状形貌和优异的光电性能而成为材料领域近年来研究的焦点。有着平面盘状共轭结构的稠环芳香化合物具有极强的自组装能力和良好的热稳定性，是制备具有高石墨化程度碳纳米材料的理想前驱体。本项目拟设计合成数种具有不同骨架结构和成分的稠环芳香化合物，利用其优异的自组装能力，通过调节分子结构和组装条件获得稠环芳香化和物的二维片状聚集体，再利用高温热解反应来将其转化为二维碳纳米材料。在此基础上，本项目还将对所得二维碳纳米材料的电化学性质进行表征，总结稠环芳香化合物分子结构与由其制备的二维碳纳米材料性质之间的关系。本项目的研究成果将为稠环芳香化合物提供新的应用领域，为从分子级别控制二维碳纳米材料的形貌和性能带来可能。

因为具有独特的片状形貌和优异的光电性能，二维碳纳米材料已成为近年来材料领域研究的焦点。为了建立新型二维碳纳米材料的可控制备方法，本课题组基于苝二酰亚胺、苯二胺和聚酰亚胺等芳香骨架设计并合成了多种具有不同共轭结构和取代基的稠环芳香化合物，继而分别通过使用无机纳米片为硬模板和直接交联聚合等方法制备了这些分子的二维聚集体。利用这些分子的热稳定性，本课题组通过在惰性气氛下使之高温碳化和去除无机模板制备了一系列具有不同结构、组成和性能的二维碳纳米材料。通过调整前驱体分子结构、组装条件、碳化温度和气氛等条件可以有效控制所得二维碳纳米材料的厚度、石墨化程度、孔结构、杂原子含量和种类。此外，本课题组还发现在合适条件下，由芳香分子形成的纳米片还可以进一步组装构成具有多级结构的碳纳米复合材料，为拓展这些材料的功能和应用提供了新的方向。本项目获得的这些材料在电催化、能源转换和存储等应用领域均具有优异的性能，体现出其良好的应用前景。更重要的是，本课题组通过关联构筑单元分子结构、组装条件等因素对所得碳纳米材料形貌和性能的影响，总结规律并提出分子组装的理论模型，为稠环芳香化合物制备富碳纳米材料研究的发展和应用提供良好的实验基础和理论依据。