南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

陳蘇教授課題組主要開展創新性應用基礎研究,研究方向包括:量子點光子晶體材料、納微宏無機-有機分子組裝功能高分子材料、前端聚合反應工程、微流控技術、水凝膠材料。同時,從事面向工程應用技術的研究,領域涉及功能高分子材料、半導體材料、熒光材料、LED發光器件、水性樹脂等。陳蘇教授的多項技術已實現產業化,其團隊開發的微流體紡絲技術(包括微流體紡絲、微流體靜電紡絲、微流體氣噴紡絲等),一經推出便獲得瞭業內人士的高度關註與認可,該技術已應用於諸多關鍵領域(包括紡絲化學、功能醫學、柔性穿戴、智能光學等)。以下介紹陳蘇教授課題組近期在光子晶體、儲能纖維、量子點以及水凝膠等方面的研究成果。

光子晶體

1.高疏水光子晶體及其微流控組裝

光子晶體是具有周期性介電結構及光子帶隙的人工設計與制造的晶體。然而,目前人造光子晶體材料存在品種與制備方法單一,傳統的光子晶體膜主要以聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)以及二氧化矽(SiO2)組裝而成,由於它們具有較高的成膜溫度以及構築單元之間較弱的組裝作用力,致使光子晶體膜易於開裂、色彩飽和度差,從而導致其熒光增強效率低。因此,如何開發高質量光子晶體材料成為此領域極富挑戰的課題之一。陳蘇教授課題組開發瞭一種高疏水的P(t-BA)光子晶體新方法,利用疏水單體制備的聚合物微球,其內在的疏水力可驅動高質量光子晶體材料的組裝,解決瞭光子晶體膜難以大面積施工、熒光增強效率低及易開裂等難題。研究發現一種玻璃化溫度低的軟單體:丙烯酸叔丁酯單體(t-BA, Tg=43℃),通過無皂乳液聚合的方法制備出P(t-BA)乳液。由於P(t-BA)分子鏈中具有疏水的叔丁基團,該疏水基團在P(t-BA)乳液組裝的過程中能夠提供一種疏水的自組裝驅動力,從而誘導P(t-BA)的光子晶體膜具有大面積不開裂、結構色明亮及優異的疏水性能。同時,該光子晶體膜具有極高的熒光增強效率(熒光增強效率高達10倍)。此外,還巧妙地利用微流控技術在磁場誘導下實現光子晶體微球和Janus微球的微流控組裝與構築,並應用於磁控顯示器件上。

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參考文獻:

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

2.膠體光子晶體成膜的新方法

膠體光子晶體在組裝成有序微結構材料的過程中易產生咖啡環及開裂現象,嚴重阻礙瞭大面積膠體光子晶體膜的構築。基於此,陳蘇教授課題組開發瞭一種膠體光子晶體成膜的新方法解決瞭膠體乳液成膜困難、無法大面積施工的問題。受到牛奶加熱表面易產生“牛奶皮效應”的啟發,通過對液滴組成以及成膜條件的精確控制,巧妙地在膠體粒子組裝過程中引入一層“膠體皮”,很好地解決瞭由於非均相體系不均勻揮發導致的咖啡環效應。基於這一理論,研究者還實現瞭結構色的全光譜打印,對功能材料圖案化、高性能器件制備及3D打印、多彩光子晶體墨水創制等具有重要意義。同時,此方法又可以借助輥塗、噴塗手段分別可實施結構色的大面積塗覆與膠體粒子的大面積組裝,成功制備出90 × 70 cm的膠體光子晶體膜,並將其用於LED背光源顯示器增亮。

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參考文獻:

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

3.金屬有機框架光子晶體膜

金屬有機框架(MOFs)導向的光子結構材料引起瞭人們廣泛的關註。但是,以MOF顆粒作為單元直接構建光子晶體仍然是一個挑戰。陳蘇教授課題組合成瞭單分散聚酰胺型胺樹枝狀高分子(PAMAM)修飾的沸石咪唑酸酯骨架(ZIF-8)顆粒(PAMAM @ ZIF-8),使ZIF-8具有親水性。PAMAM @ ZIF-8顆粒可以直接組裝成均勻的光子結構,並且能抑制咖啡環效應,形成具有不同結構顏色的均質光子晶體膜。利用膜分離輔助組裝工藝,在還原氧化石墨烯(rGO)表面得到瞭PAMAM @ ZIF-8光子晶體膜(PAMAM @ ZIF-8 / rGO),並顯示出對有機染料溶液的優異分離能力,從而豐富瞭光子晶體材料的功能,為MOFs功能性光子晶體材料的制造提供瞭新策略。

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參考文獻:

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

4.無定型膠體光子晶體

針對光子晶體傳統方法(如垂直沉積、提拉法、旋塗法等)構築過程繁瑣、耗時長及難以大面積施工的關鍵問題,陳蘇教授課題發展瞭一種制備無定型膠體光子晶體的新方法,解決瞭光子晶體成膜效率低及無法工業化生產的難題利用改性親水石墨烯/聚合物膜實現膠體乳液中水分與膠體粒子的分離,同時在石墨烯膜表面組裝出結構色,該方法迅速高效,可以在2分鐘內制備光子晶體膜。本研究還探索瞭結構色形成的機理,發現黑色的石墨烯基底是結構色形成的關鍵,而且石墨烯基底表面褶皺有利於形成無定型的光子晶體結構,這種無定型結構是該光子晶體色彩不依賴於觀測角度的原因。該研究還探索瞭光子晶體在被動散熱中的應用,發現在一個太陽光照射下,相比於普通聚苯乙烯膜,該結構色膜可以將表面溫度降低6.8 ℃。該研究為光子晶體用於隔熱材料的研究提供瞭思路。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

儲能纖維

1.微流體紡絲構築異質結構微米纖維無紡佈

目前,新能源儲存技術在科學研究、工業化生產等領域成為研究熱點,尤其是在高端智能化的可穿戴設備行業(年產值280億美元)。其中,開發具有輕質柔性及高能量密度的儲能材料為可穿戴電子器件供電是該領域的重大挑戰課題。基於此,陳蘇教授課題組通過微流體紡絲技術制備高柔性及高導電的黑磷基纖維無紡佈電極,並將其構築具有高能量密度的柔性超級電容器。通過在二維黑磷(BP)片層橋接一維碳納米管(CNTs),增加黑磷片層間的電子傳導、機械穩定性、離子擴散通道和氧化還原作用,從而促進離子在電極-電解質層界面處更快的傳輸及更多的累積。得益於這種異質結構和微流體紡絲的設計,獲得基於無紡佈電極的超級電容器表現出較高的能量密度(96.5 mWh cm-3和穩定形變供能能力,並成功實現為LEDs、智能手表、彩色顯示屏等電子器件供能的應用。

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參考文獻:

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

2.微流體氣噴紡絲構築層次結構納米纖維無紡佈

針對纖維材料微結構不可控、尺寸較大及難以規模化制備等,造成器件中離子遷移慢、電荷存儲少及能量密度低缺點,陳蘇教授課題組首次使用液滴微流控方法,通過組成基元在微液滴限域空間內快速反應,從而連續制備均一有序結構的微-介孔碳骨架納米雜化電極材料。使其在微液滴反應器中快速傳質傳熱,實現MOFs(ZIF-8)、石墨烯和碳納米管快速有效組裝反應,退火後制備的碳骨架納米雜化材料具有良好的孔結構(窄孔徑0.86nm)、大的比表面積(1206 m2g-1)和豐富的氮含量(10.63%)。再者,針對纖維電極力學性能差和難以規模化制備等難題,開發微流體氣噴紡絲方法,大規模制備具有高導電性(236 S m-1)和高力學性能(楊氏模量235.2 Mpa,斷裂伸長率43.1%)的納米纖維基超級電容器電極材料。以此構築的纖維基超級電容器表現出優異的電化學性能,如高能量密度(147.5 mWh cm-3)、大比電容(472 F cm-3)和穩定自供能的特性,為柔性可穿戴產業的發展提供新途徑。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

3.微流控制備多孔結構氮摻雜石墨烯纖維電極

針對纖維電極成分不均一、孔結構分佈無序等領域難題,陳蘇教授課題組利用微流控制方法制備均勻多孔氮摻雜石墨烯纖維材料利用氧化石墨烯(GO)和尿素在微通道內均勻組裝反應,程控熱解,實現氮的可控摻雜和孔結構的分級調控。該方法制備不僅可以大規模生產纖維,還賦予其較高的柔性和可編織性。通過實驗調控,實現石墨烯纖維中氮原子總量在1.71 %~7.4 %的可控摻雜,獲得吡啶氮摻雜量為2.44 %時,纖維表現出較為均一的孔結構(平均孔徑3.2 nm)、大比表面積(388.6 m2g-1)、高的導電性(30,785 S m-1)和拉伸強度(286 MPa)。構築的纖維狀電容器在呈現出大比電容(1132 mF cm-2)和高能量密度(95.7 μWh cm-2)。基於以上優異的電學、力學、電化學等性能,纖維狀電容器成功實現為視聽電子器件供電的應用。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

4.微流控構築點/片結構纖維電極

針對纖維電極低比表面積和機械強度的關鍵問題,陳蘇教授課題組以納米碳量子點材料摻雜和限域微通道內自組裝為手段,構築具有高機械強度及高能量密度的碳量子點/石墨烯纖維超級電容器。在微流體限域通道內,親水性的納米碳量子點和石墨烯通過氫鍵和脫水-縮合作用自組裝橋連形成“Dot-Sheet”結構,從而將纖維電極的機械強度和電化學性能分別提高瞭3倍

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

量子點

1.磁熱法大規模制備熒光碳量子點

作為碳材料的一種,碳量子點以其優異的物理化學和光學性能,引起瞭研究者們的廣泛關註。碳量子點具有無毒、廉價、原料來源廣泛等優點,在生物、能源、顯示等領域有重要的應用前景。然而,目前碳量子點品種與制備方法單一,傳統的溶劑熱、微波合成等方法反應速度慢、轉化率低,無法實現碳量子點的大規模制備。因而,如何開發新工藝,實現低成本大規模快速制備碳量子點成為此領域極富挑戰的課題之一。陳蘇教授課題組創新地采用磁熱反應器,快速熱解檸檬酸鹽和尿素,在三分鐘內一步法快速制備瞭熒光碳量子點。通過優化反應條件,可以在一小時內得到多達80g碳量子點粉末(產量比傳統方法提高近160倍)。與普通反應器相比,磁熱反應器能量高,溫度升幅快且溫度穩定性好,受熱均勻,整個反應過程從接觸式反應轉變為非接觸式反應,安全高效。該方法不僅為碳量子點材料的合成提供新思路,還極大促進瞭碳量子點的產業化發展。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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.靜電微流控構築高耐水鈣鈦礦聚合物纖維膜

利用外場作用構築微納纖維一直是國內外研究熱點之一。特別是以靜電紡絲為代表的一維微納纖維以其纖維易得、纖維直徑小等優異特性在近二十年受到廣泛關註。然而,靜電紡絲過程是一個物理過程,很難發生化學變化。陳蘇教授課題組開發出微流體靜電紡絲機用於構築全無機鹵化物鈣鈦礦納米晶(PNCs)摻雜的聚合物材料。創新提出纖維紡絲化學(Fiber-spinningchemistry,FSC)的新概念,即在微納纖維受限空間中原位實現PNCs在纖維中的生成。一方面,該方法解決瞭PNCs水穩定性差的難題;另一方面,提出瞭一種合成PNCs全新的FSC新方法;同時,此方法環境友好,大大降低瞭揮發性有機化合物(VOCs)的排放,所制備的PNC耐水性大大提高,在大氣中儲存90天後,PNCs /聚合物纖維膜在光致發光(PL)中保持恒定,並且在水浸泡120小時後保持82%PL

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參考文獻:

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

3.碳點/聚合物復合材料應用於指紋提取與識別

針對目前對碳量子點應用局限的難題,陳蘇教授課題組將碳點/聚合物復合材料作為無墨圖案化基質,可實現提取以及識別潛指紋。與傳統的指紋提取方法相比,該方法不僅無毒安全能夠在多種材質表面上有效提取指紋,還能夠避免材質表面顏色對指紋識別的幹擾。基於碳點/聚合物復合材料在指紋提取與識別的原理,該復合材料還能應用於凹版與凸版印刷工業,為指紋提取識別和綠色印刷產業提供瞭新思路。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

水凝膠

1.微流控技術設計自愈合力驅動的宏觀自組裝

目前,自組裝的研究主要集中於分子層面的組裝,宏觀自組裝鮮有報道,特別是自然界自組裝及人工自組裝技術效率低,成為阻礙其發展的瓶頸,如何提高自組裝效率也是當今國際極具挑戰性的課題之一。陳蘇教授課題組以微流控技術為手段,原創性的設計開發瞭自愈合力驅動的宏觀自組裝方法巧妙地利用自愈合高分子水凝膠微珠作為組裝單元,在微流體限域通道內實現瞭超分子水凝膠微珠的連續化定向組裝,通過不同類型通道的設計,如單通道、Y型通道、平行通道、立體三角形通道,亦可實現特定形貌組裝體的可控組裝。基於組裝基元之間固有的氫鍵和超分子作用力,可在幾分鐘內完成組裝,實現從微米結構單元組裝成為宏觀大材料,大大提高瞭組裝效率,所制備的水凝膠材料具有很好的生物相容性,是很好的人體組織材料。此外,研究者利用該方法亦實現瞭熒光微球的自組裝,並將其成功用於LED的制備。這項研究成果為多維度材料的設計和快速構築新型功能材料提供瞭一種新方法。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

2.微流控紡絲原位合成自愈合凝膠纖維及其自組裝構築纖維織物

如何通過簡單的方式將一維(1D)纖維材料轉變成多維有序結構材料具有重要的研究和應用意義。陳蘇教授課題組基於微流控紡絲原位合成自愈合凝膠纖維,並利用原纖維間的自愈合作用力實現瞭1D纖維到多維織物的編織。微流體紡絲技術由於其簡單,高效,靈活的可控性和環境友好的化學過程為凝膠纖維和纖維微反應器的連續化構造提供瞭強大的平臺。基於主客體作用力,借助原纖維間的固有的超分子作用力,實現瞭多維纖維織物的簡單快速構築,織物具有良好的柔性、可拉伸性能和較高的機械性能。此外,研究者將凝膠纖維與導電納米材料相結合,利用該方法成功制備瞭自愈合復合導線和超級電容器。這項研究成果為多維纖維結構材料的設計和快速構築提供瞭一種新思路。

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

參考文獻:

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

陳蘇教授課題組網頁:

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

陳蘇教授簡介

南京工業大學陳蘇教授課題組研究成果集錦

陳蘇,博士,教授,博士生導師,南京工業大學化工學院副院長,江蘇省精細功能高分子材料高技術研究重點實驗室主任。2002-2004年分別在美國麻省大學化學系和美國南密西西比大學高分子科學系進行博士後和研究員研究工作。歸國後主要開展創新性應用基礎研究,研究方向包括:量子點、光子晶體材料、納微宏無機-有機分子組裝功能高分子材料、前端聚合反應工程、微流控技術、水凝膠材料。同時,從事面向工程應用技術的研究,領域涉及功能高分子材料、半導體材料、熒光材料、LED發光器件、水性樹脂等。先後主持承擔國傢自然科學基金重點項目和面上項目6項、國傢“十一五”科技支撐計劃子課題、“863”重大重點項目子課題、國傢重點研發計劃子課題、江蘇省“六大人才高峰”高層次人才項目、江蘇省高校自然科學重大基礎研究項目、江蘇省科技支撐計劃(工業)項目、高等學校博士學科點專項科研基金、美國Celanese公司國際合作項目和國傢人事部留學回國重點基金等項目。以第一作者或通訊聯系人在Nat. Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int.Ed.、Adv. Mater.、Macromolecules等國際知名雜志上發表SCI收錄論文200餘篇,相關成果得到美國Science News、Nature-NPG AsiaMaterials、MRS Bulletin、Chemical &Engineering News、Chemistry Views等學術媒體的廣泛報道。擔任Journal ofNanomaterials雜志客座主編,The Scientific World Journal雜志編委,J. Am. Chem. Soc.、Chem. Mater.和Macromolecules等十多個知名刊物的審稿人及英國皇傢化學學會特邀評審人。獲國傢教育部自然科學二等獎1項、中國石油與化學工業協會技術發明二等獎1項、江蘇省科學技術進步獎三等獎2項、國際納米技術與應用納米技術成果大賽獲銀質獎1項。江蘇省“青藍工程”學術帶頭人,中國儀表材料學會理事,江蘇省合成樹脂工程技術研究中心技術委員會主任。

團隊合影

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