[00819609]石墨烯微结构调控及其表界面效应研究

该项目属于新材料领域，无机非金属学科，聚焦于石墨烯及其衍生物微纳结构的可控制备、尺寸及表界面特性的系统调控，在石墨烯量子点的宏量制备、石墨烯及其复合材料的表界面效应等科学问题上取得了重大突破。项目实现了荧光石墨烯量子点的可控制备以及近全色荧光调控，并揭示其发光机理；实现了对石墨稀纳米片表界面结构的系统调控，发现了与表界面相关的独特效应：拓展了石墨烯材料在生物医学、环境等领域中的应用。具体包括： (1)石墨烯量子点的化学裁剪及其发光机制。为解决荧光石墨烯量子点的制备难题，突破物理制备法的局限性，发展了基于“解开拉链”的化学裁剪方法，首次制备了石墨烯量子点荧光材料：发现了石墨烯量子点的蓝色荧光性质，揭示了发光来源于卡宾zigzag三重态(σ¹π¹)的机理，拓展了石墨烯材料在光电子学和纳米生物学等领域中的应用。发展的化学裁剪法具有普适性，并被NPG专题报道。 (2)高品质全色荧光单晶石墨烯量子点的宏量制备。为突破高品质石墨烯量子点难以规模化制备的难点，首次发展“分子融合”的化学合成策略，宏量制备了单晶石墨烯量子点，实现了量子点尺寸和边位官能团的系统调控，以及近全色荧光调控，并揭示了带边激子态发光机制。制备的量子点毒性低，能标记活细胞，在生物成像领域具有广泛的应用前景。制备的石墨稀量子点的产率和性能被同行称为“Remarkableyield”和“High-quality”。 (3)石墨烯片层结构的组分、表界面调控及其新效应。针对单层石墨烯制备及层数控制的难点，发展了原位复合与还原的制备策略，实现了石墨烯的单层控制，并首次观测到光生电子空穴对分离的飞秒超快光子学效应：首次制备了表面高度缺陷的石墨烯负极材料，在碳材料上实现了可逆嵌锂的超高容量；发现了石墨烯片层对金属离子的超高吸附及诱导的折叠效应。 (4)发现石墨烯表界面介导的生物学效应。针对石墨烯应用的安全性问题，前瞻性地研究了石墨烯的细胞生物学效应，发现石墨烯具有较高的生物安全性，该成果入选ESI热点论文和2011年中国百篇最有影响国际学术论文；针对石墨烯与生物体界面相互作用的复杂性，通过模拟石墨烯及其衍生物与细胞膜、水介质之间的相互作用，发现其具有复杂动态特征的时空效应，揭示了石墨烯破坏细菌细胞膜屏障的新机制。相关研究被Nature China和Chemistry World作为亮点报道。 8篇代表论文发表在Nature Nanotechnology、Nature Communications、Advanced Materials等国际著名期刊，SCI他引3639次，篇均SCI他引455次，单篇最高SCI他引1111次：8篇代表论文全部入选ESI前1%高被引论文，被Nature China等作为亮点报道、入选ESI热点论文、中国百篇最有影响国际学术论文。相关成果申请国家发明专利38项，授权14项，其核心技术具有极大的产业应用前景，为解决能源转化与存储、海水淡化、污染物高效治理、纳米生物医药等重大问题提供了新的解决思路及途径。研究团队获中国石墨烯产业联盟颁发的“2017石墨烯学术杰出贡献奖”：项目组成员获得国家杰出青年基金、国家优秀青年基金、长江学者；项目团队入选教育部创新团队及其优秀跟踪计划：项目成果获2015年上海市自然科学一等奖。