南京工业大学陈苏教授课题组研究成果集锦

陈苏教授课题组主要开展创新性应用基础研究,研究方向包括:量子点光子晶体材料、纳微宏无机-有机分子组装功能高分子材料、前端聚合反应工程、微流控技术、水凝胶材料。同时,从事面向工程应用技术的研究,领域涉及功能高分子材料、半导体材料、荧光材料、LED发光器件、水性树脂等。陈苏教授的多项技术已实现产业化,其团队开发的微流体纺丝技术(包括微流体纺丝、微流体静电纺丝、微流体气喷纺丝等),一经推出便获得了业内人士的高度关注与认可,该技术已应用于诸多关键领域(包括纺丝化学、功能医学、柔性穿戴、智能光学等)。以下介绍陈苏教授课题组近期在光子晶体、储能纤维、量子点以及水凝胶等方面的研究成果。

光子晶体

1.高疏水光子晶体及其微流控组装

光子晶体是具有周期性介电结构及光子带隙的人工设计与制造的晶体。然而,目前人造光子晶体材料存在品种与制备方法单一,传统的光子晶体膜主要以聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及二氧化硅(SiO2)组装而成,由于它们具有较高的成膜温度以及构筑单元之间较弱的组装作用力,致使光子晶体膜易于开裂、色彩饱和度差,从而导致其荧光增强效率低。因此,如何开发高质量光子晶体材料成为此领域极富挑战的课题之一。陈苏教授课题组开发了一种高疏水的P(t-BA)光子晶体新方法,利用疏水单体制备的聚合物微球,其内在的疏水力可驱动高质量光子晶体材料的组装,解决了光子晶体膜难以大面积施工、荧光增强效率低及易开裂等难题。研究发现一种玻璃化温度低的软单体:丙烯酸叔丁酯单体(t-BA, Tg=43℃),通过无皂乳液聚合的方法制备出P(t-BA)乳液。由于P(t-BA)分子链中具有疏水的叔丁基团,该疏水基团在P(t-BA)乳液组装的过程中能够提供一种疏水的自组装驱动力,从而诱导P(t-BA)的光子晶体膜具有大面积不开裂、结构色明亮及优异的疏水性能。同时,该光子晶体膜具有极高的荧光增强效率(荧光增强效率高达10倍)。此外,还巧妙地利用微流控技术在磁场诱导下实现光子晶体微球和Janus微球的微流控组装与构筑,并应用于磁控显示器件上。

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参考文献:

Hydrophobic Poly(tert-butyl acrylate) Photonic Crystals towards Robust Energy-Saving Performance. Angewandte Chemie International Edition, 2019, 58, 13556-13564

2.胶体光子晶体成膜的新方法

胶体光子晶体在组装成有序微结构材料的过程中易产生咖啡环及开裂现象,严重阻碍了大面积胶体光子晶体膜的构筑。基于此,陈苏教授课题组开发了一种胶体光子晶体成膜的新方法解决了胶体乳液成膜困难、无法大面积施工的问题。受到牛奶加热表面易产生“牛奶皮效应”的启发,通过对液滴组成以及成膜条件的精确控制,巧妙地在胶体粒子组装过程中引入一层“胶体皮”,很好地解决了由于非均相体系不均匀挥发导致的咖啡环效应。基于这一理论,研究者还实现了结构色的全光谱打印,对功能材料图案化、高性能器件制备及3D打印、多彩光子晶体墨水创制等具有重要意义。同时,此方法又可以借助辊涂、喷涂手段分别可实施结构色的大面积涂覆与胶体粒子的大面积组装,成功制备出90 × 70 cm的胶体光子晶体膜,并将其用于LED背光源显示器增亮。

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参考文献:

Large-scale colloidal films with robust structural colors.Materials Horizons, 2019, 6(1): 90-96

3.金属有机框架光子晶体膜

金属有机框架(MOFs)导向的光子结构材料引起了人们广泛的关注。但是,以MOF颗粒作为单元直接构建光子晶体仍然是一个挑战。陈苏教授课题组合成了单分散聚酰胺型胺树枝状高分子(PAMAM)修饰的沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-8)颗粒(PAMAM @ ZIF-8),使ZIF-8具有亲水性。PAMAM @ ZIF-8颗粒可以直接组装成均匀的光子结构,并且能抑制咖啡环效应,形成具有不同结构颜色的均质光子晶体膜。利用膜分离辅助组装工艺,在还原氧化石墨烯(rGO)表面得到了PAMAM @ ZIF-8光子晶体膜(PAMAM @ ZIF-8 / rGO),并显示出对有机染料溶液的优异分离能力,从而丰富了光子晶体材料的功能,为MOFs功能性光子晶体材料的制造提供了新策略。

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参考文献:

MOF-Based Photonic Crystal Film toward Separation of Organic Dyes. ACS Applied Materials &Interfaces, 2020,12(2): 2816-2825

4.无定型胶体光子晶体

针对光子晶体传统方法(如垂直沉积、提拉法、旋涂法等)构筑过程繁琐、耗时长及难以大面积施工的关键问题,陈苏教授课题发展了一种制备无定型胶体光子晶体的新方法,解决了光子晶体成膜效率低及无法工业化生产的难题。利用改性亲水石墨烯/聚合物膜实现胶体乳液中水分与胶体粒子的分离,同时在石墨烯膜表面组装出结构色,该方法迅速高效,可以在2分钟内制备光子晶体膜。本研究还探索了结构色形成的机理,发现黑色的石墨烯基底是结构色形成的关键,而且石墨烯基底表面褶皱有利于形成无定型的光子晶体结构,这种无定型结构是该光子晶体色彩不依赖于观测角度的原因。该研究还探索了光子晶体在被动散热中的应用,发现在一个太阳光照射下,相比于普通聚苯乙烯膜,该结构色膜可以将表面温度降低6.8 ℃。该研究为光子晶体用于隔热材料的研究提供了思路。

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参考文献:

Reduced Graphene Oxide Membrane Induced Robust Structural Colors toward Personal Thermal Management. ACS Photonics, 2018,DOI: 10.1021/acsphotonics.8b00952

 

储能纤维

1.微流体纺丝构筑异质结构微米纤维无纺布

目前,新能源储存技术在科学研究、工业化生产等领域成为研究热点,尤其是在高端智能化的可穿戴设备行业(年产值280亿美元)。其中,开发具有轻质柔性及高能量密度的储能材料为可穿戴电子器件供电是该领域的重大挑战课题。基于此,陈苏教授课题组通过微流体纺丝技术制备高柔性及高导电的黑磷基纤维无纺布电极,并将其构筑具有高能量密度的柔性超级电容器。通过在二维黑磷(BP)片层桥接一维碳纳米管(CNTs),增加黑磷片层间的电子传导、机械稳定性、离子扩散通道和氧化还原作用,从而促进离子在电极-电解质层界面处更快的传输及更多的累积。得益于这种异质结构和微流体纺丝的设计,获得基于无纺布电极的超级电容器表现出较高的能量密度(96.5 mWh cm-3和稳定形变供能能力,并成功实现为LEDs、智能手表、彩色显示屏等电子器件供能的应用。

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参考文献:

Microfluidic-spinning construction of black-phosphorus-hybrid microfibres fornon-woven fabrics toward a high energy density flexible supercapacitor. Nature Communications, 2018, 9: 4573.

2.微流体气喷纺丝构筑层次结构纳米纤维无纺布

针对纤维材料微结构不可控、尺寸较大及难以规模化制备等,造成器件中离子迁移慢、电荷存储少及能量密度低缺点,陈苏教授课题组首次使用液滴微流控方法,通过组成基元在微液滴限域空间内快速反应,从而连续制备均一有序结构的微-介孔碳骨架纳米杂化电极材料。使其在微液滴反应器中快速传质传热,实现MOFs(ZIF-8)、石墨烯和碳纳米管快速有效组装反应,退火后制备的碳骨架纳米杂化材料具有良好的孔结构(窄孔径0.86nm)、大的比表面积(1206 m2g-1)和丰富的氮含量(10.63%)。再者,针对纤维电极力学性能差和难以规模化制备等难题,开发微流体气喷纺丝方法,大规模制备具有高导电性(236 S m-1)和高力学性能(杨氏模量235.2 Mpa,断裂伸长率43.1%)的纳米纤维基超级电容器电极材料。以此构筑的纤维基超级电容器表现出优异的电化学性能,如高能量密度(147.5 mWh cm-3)、大比电容(472 F cm-3)和稳定自供能的特性,为柔性可穿戴产业的发展提供新途径。

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参考文献:

HierarchicalMicro-Mesoporous Carbon-Framework-Based Hybrid Nanofibres for High-DensityCapacitive Energy Storage. Angewandte Chemie International Edition,2019, 58,17465-17473

3.微流控制备多孔结构氮掺杂石墨烯纤维电极

针对纤维电极成分不均一、孔结构分布无序等领域难题,陈苏教授课题组利用微流控制方法制备均匀多孔氮掺杂石墨烯纤维材料。利用氧化石墨烯(GO)和尿素在微通道内均匀组装反应,程控热解,实现氮的可控掺杂和孔结构的分级调控。该方法制备不仅可以大规模生产纤维,还赋予其较高的柔性和可编织性。通过实验调控,实现石墨烯纤维中氮原子总量在1.71 %~7.4 %的可控掺杂,获得吡啶氮掺杂量为2.44 %时,纤维表现出较为均一的孔结构(平均孔径3.2 nm)、大比表面积(388.6 m2g-1)、高的导电性(30,785 S m-1)和拉伸强度(286 MPa)。构筑的纤维状电容器在呈现出大比电容(1132 mF cm-2)和高能量密度(95.7 μWh cm-2)。基于以上优异的电学、力学、电化学等性能,纤维状电容器成功实现为视听电子器件供电的应用。

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参考文献:

High-Performance Wearable Micro-Supercapacitors Based on Microfluidic-Directed Nitrogen-DopedGraphene Fiber Electrodes. Advanced Functional Materials, 2017,27(36), 1702493

4.微流控构筑点/片结构纤维电极

针对纤维电极低比表面积和机械强度的关键问题,陈苏教授课题组以纳米碳量子点材料掺杂和限域微通道内自组装为手段,构筑具有高机械强度及高能量密度的碳量子点/石墨烯纤维超级电容器。在微流体限域通道内,亲水性的纳米碳量子点和石墨烯通过氢键和脱水-缩合作用自组装桥连形成“Dot-Sheet”结构,从而将纤维电极的机械强度和电化学性能分别提高了3倍

南京工业大学陈苏教授课题组研究成果集锦

参考文献:

Enriched Carbon Dots/Graphene Microfibers towards High-Performance Micro-Supercapacitors. Journalof Materials Chemistry A, 2018, 6, 14112-14119

 

量子点

1.磁热法大规模制备荧光碳量子点

作为碳材料的一种,碳量子点以其优异的物理化学和光学性能,引起了研究者们的广泛关注。碳量子点具有无毒、廉价、原料来源广泛等优点,在生物、能源、显示等领域有重要的应用前景。然而,目前碳量子点品种与制备方法单一,传统的溶剂热、微波合成等方法反应速度慢、转化率低,无法实现碳量子点的大规模制备。因而,如何开发新工艺,实现低成本大规模快速制备碳量子点成为此领域极富挑战的课题之一。陈苏教授课题组创新地采用磁热反应器,快速热解柠檬酸盐和尿素,在三分钟内一步法快速制备了荧光碳量子点。通过优化反应条件,可以在一小时内得到多达80g碳量子点粉末(产量比传统方法提高近160倍)。与普通反应器相比,磁热反应器能量高,温度升幅快且温度稳定性好,受热均匀,整个反应过程从接触式反应转变为非接触式反应,安全高效。该方法不仅为碳量子点材料的合成提供新思路,还极大促进了碳量子点的产业化发展。

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参考文献:

Rapid and Large-Scale Production of Multi-Fluorescence Carbon Dots via Magnetic Hyperthermia Method. Angewandte Chemie International Edition, 2020, DOI:10.1002/anie.201914331

2.静电微流控构筑高耐水钙钛矿聚合物纤维膜

利用外场作用构筑微纳纤维一直是国内外研究热点之一。特别是以静电纺丝为代表的一维微纳纤维以其纤维易得、纤维直径小等优异特性在近二十年受到广泛关注。然而,静电纺丝过程是一个物理过程,很难发生化学变化。陈苏教授课题组开发出微流体静电纺丝机用于构筑全无机卤化物钙钛矿纳米晶(PNCs)掺杂的聚合物材料。创新提出纤维纺丝化学(Fiber-spinningchemistry,FSC)的新概念,即在微纳纤维受限空间中原位实现PNCs在纤维中的生成。一方面,该方法解决了PNCs水稳定性差的难题;另一方面,提出了一种合成PNCs全新的FSC新方法;同时,此方法环境友好,大大降低了挥发性有机化合物(VOCs)的排放,所制备的PNC耐水性大大提高,在大气中储存90天后,PNCs /聚合物纤维膜在光致发光(PL)中保持恒定,并且在水浸泡120小时后保持82%PL

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参考文献:

Fiber-Spinning-Chemistry Method toward In Situ Generation of Highly Stable Halide Perovskite Nanocrystals. Advanced Science, 2019, 6, 1901694.

3.碳点/聚合物复合材料应用于指纹提取与识别

针对目前对碳量子点应用局限的难题,陈苏教授课题组将碳点/聚合物复合材料作为无墨图案化基质,可实现提取以及识别潜指纹。与传统的指纹提取方法相比,该方法不仅无毒安全能够在多种材质表面上有效提取指纹,还能够避免材质表面颜色对指纹识别的干扰。基于碳点/聚合物复合材料在指纹提取与识别的原理,该复合材料还能应用于凹版与凸版印刷工业,为指纹提取识别和绿色印刷产业提供了新思路。

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参考文献:

Recognition of Latent Fingerprints and Ink-Free Printing Derived fromInterfacial Segregation of Carbon Dots. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018,DOI: 10.1021/acsami.8b13545

 

水凝胶

1.微流控技术设计自愈合力驱动的宏观自组装

目前,自组装的研究主要集中于分子层面的组装,宏观自组装鲜有报道,特别是自然界自组装及人工自组装技术效率低,成为阻碍其发展的瓶颈,如何提高自组装效率也是当今国际极具挑战性的课题之一。陈苏教授课题组以微流控技术为手段,原创性的设计开发了自愈合力驱动的宏观自组装方法。巧妙地利用自愈合高分子水凝胶微珠作为组装单元,在微流体限域通道内实现了超分子水凝胶微珠的连续化定向组装,通过不同类型通道的设计,如单通道、Y型通道、平行通道、立体三角形通道,亦可实现特定形貌组装体的可控组装。基于组装基元之间固有的氢键和超分子作用力,可在几分钟内完成组装,实现从微米结构单元组装成为宏观大材料,大大提高了组装效率,所制备的水凝胶材料具有很好的生物相容性,是很好的人体组织材料。此外,研究者利用该方法亦实现了荧光微球的自组装,并将其成功用于LED的制备。这项研究成果为多维度材料的设计和快速构筑新型功能材料提供了一种新方法。

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参考文献:

Versatile Hydrogel Ensembles with Macroscopic Multi-Dimensions.Advanced Materials, 2018, 30, 1803475

2.微流控纺丝原位合成自愈合凝胶纤维及其自组装构筑纤维织物

如何通过简单的方式将一维(1D)纤维材料转变成多维有序结构材料具有重要的研究和应用意义。陈苏教授课题组基于微流控纺丝原位合成自愈合凝胶纤维,并利用原纤维间的自愈合作用力实现了1D纤维到多维织物的编织。微流体纺丝技术由于其简单,高效,灵活的可控性和环境友好的化学过程为凝胶纤维和纤维微反应器的连续化构造提供了强大的平台。基于主客体作用力,借助原纤维间的固有的超分子作用力,实现了多维纤维织物的简单快速构筑,织物具有良好的柔性、可拉伸性能和较高的机械性能。此外,研究者将凝胶纤维与导电纳米材料相结合,利用该方法成功制备了自愈合复合导线和超级电容器。这项研究成果为多维纤维结构材料的设计和快速构筑提供了一种新思路。

南京工业大学陈苏教授课题组研究成果集锦

参考文献:

Microfluidic-Directed Hydrogel Fabrics Based on Interfibrillar Self-Healing Effects. Chemistry of Materials, 2018, DOI: 10.1021/acs.chemmater.8b03579

陈苏教授课题组网页:

https://www.x-mol.com/groups/su_chen

陈苏教授简介

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陈苏,博士,教授,博士生导师,南京工业大学化工学院副院长,江苏省精细功能高分子材料高技术研究重点实验室主任。2002-2004年分别在美国麻省大学化学系和美国南密西西比大学高分子科学系进行博士后和研究员研究工作。归国后主要开展创新性应用基础研究,研究方向包括:量子点、光子晶体材料、纳微宏无机-有机分子组装功能高分子材料、前端聚合反应工程、微流控技术、水凝胶材料。同时,从事面向工程应用技术的研究,领域涉及功能高分子材料、半导体材料、荧光材料、LED发光器件、水性树脂等。先后主持承担国家自然科学基金重点项目和面上项目6项、国家“十一五”科技支撑计划子课题、“863”重大重点项目子课题、国家重点研发计划子课题、江苏省“六大人才高峰”高层次人才项目、江苏省高校自然科学重大基础研究项目、江苏省科技支撑计划(工业)项目、高等学校博士学科点专项科研基金、美国Celanese公司国际合作项目和国家人事部留学回国重点基金等项目。以第一作者或通讯联系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int.Ed.、Adv. Mater.、Macromolecules等国际知名杂志上发表SCI收录论文200余篇,相关成果得到美国Science News、Nature-NPG AsiaMaterials、MRS Bulletin、Chemical &Engineering News、Chemistry Views等学术媒体的广泛报道。担任Journal ofNanomaterials杂志客座主编,The Scientific World Journal杂志编委,J. Am. Chem. Soc.、Chem. Mater.和Macromolecules等十多个知名刊物的审稿人及英国皇家化学学会特邀评审人。获国家教育部自然科学二等奖1项、中国石油与化学工业协会技术发明二等奖1项、江苏省科学技术进步奖三等奖2项、国际纳米技术与应用纳米技术成果大赛获银质奖1项。江苏省“青蓝工程”学术带头人,中国仪表材料学会理事,江苏省合成树脂工程技术研究中心技术委员会主任。

团队合影

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