基于配位键的自修复光电功能材料研究

Self-healing materials are a new type of materials that can be autonomously healed when damaged. The investigation of self-healing materials is helpful for improve the safety and lifetime of materials. In this project, by taking advantage of the structural variable and binding-strength tunable coordination complexes, we will design and synthesis self-healing photo-electric materials based on coordination bonds. We mainly focus on: 1) designing new type of self-healing materials based on coordination bonds by investigating the effect of metal ions and ligands on the self-healing properties of materials, and solving the incompatible problem between mechanical properties and self-healing in self-healing materials; 2) developing luminescent, colorimetric, sensing, and/or photo-induced spin cross-over self-healing materials through the introduction of metal ions, and thus obtaining self-healing photo-responsive materials; 3) fabricating self-healing photo-electric devices by introducing self-healing materials. The self-healing photo-electric devices can thus be healed when locally creaked or entirely broken, upon chemical corrosion or external force. The goal of this project is to study the fundamental scientific issues in self-healing materials, ie., the design and characterization of dynamic coordination bonds. These efforts can provide theoretical basis for further development of self-healing photo-electrical materials and devices, such as self-healing photo-functional films, self-healing solar cells, self-healing supercapacitors.

自修复材料是一种在受损时能够进行自我修复的新型材料。研究自修复材料对于提高材料的安全性和使用寿命具有重要的意义。本项目利用配合物结构多变、健能可调的优势和特点，设计合成基于配位键的自修复光电功能材料。重点研究：1）探讨金属离子和配体的类型与结构对材料自修复性能的影响及机理，发展基于配位键的新型自修复材料，解决自修复材料中机械力学性质与自修复性质的矛盾问题；2）通过引入金属离子使自修复材料导致新的发光、变色、传感、光诱导自旋变化等功能，得到具有光响应功能的自修复材料；3）通过在光电功能器件中引入自修复材料，使其遇到化学侵蚀或外力作用产生局部裂纹甚至整体断裂时，能够自动修复。本项目旨在探索自修复光电功能材料中动态配位键的设计和表征等方面的基础科学问题，为将来进一步开发具有应用前景的自修复光电功能材料与器件（例如自修复光功能薄膜、自修复太阳能电池、自修复超级电容器等）提供依据。

自修复材料是一种在受损时能够进行自我修复的新型材料，研究自修复材料对于提高材料的安全性和使用寿命具有重要的意义。高强度自修复材料的设计合成以及自修复材料的功能化是自修复材料研究中亟待解决的关键问题。本项目围绕基于配位键的自修复光电功能材料开展研究，取得了一系列创新性的研究成果：利用配合物结构多变、键能可调的优势和特点，设计合成了热力学稳定而动力学活泼的动态配位体系，得到了基于动态配位键的高强度自修复高分子，有效地解决了材料力学强度和自修复性质难以兼顾的问题；利用配合物作为分子基块，通过分子识别、选择性变换和传输等方式而组装成特有构造和功能的体系，得到了系列具有磁性、氧化还原活性、吸附性、导电性、发光、变色等光电功能的新型金属有机框架材料，同时将光电功能材料与自修复材料结合，得到具有光电功能的自修复材料；进一步，将自修复材料作为基底、电极或界面层，得到了具有自修复功能的锂硫电池、介电驱动器、应力应变传感器、柔性电子皮肤等器件，这些器件在受到化学环境以及碰撞、扭曲、折叠等物理外力作用产生局部裂纹甚至整体断裂、发生电路断路、器件局部甚至整体失去功能时能够自修复，从而有效延长了器件的使用寿命并提高了器件的使用安全性。项目实施过程中发表研究论文50余篇，其中包括Nat. Commun. 4篇，J. Am. Chem. Soc. 2篇，Angew. Chem. Int. Ed. 7篇, Adv. Mater.1篇，Matter 1篇，Adv. Funct. Mater. 1篇，Chem. Sci. 3篇等。申请专利6项，其中国际发明专利2项，3项专利已获得授权。项目的实施推动了配位化学和自修复高分子材料的发展，为后续开发基于配位键的自修复光电功能材料和器件提供了理论和实验基础。