含氮稠环芳香阳离子化合物与石墨烯的共组装

Graphene has extraordinary properties and unique two-dimensional morphology, while positively charged polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) own positively charged aromatic framework and tunable self-assembly behavior. The nanomaterials based on the co-assembly of positively charged PAHs and graphene will not only combine the advantages of both kinds of building blocks, but also have enhanced performance due to the synergistic effect of positively charged PAHs and graphene. In this project, nitrogen-containing positively charged PAHs with diversified aromatic framework will be designed and synthesized. Their co-assembly behavior with graphene oxides and the applications of the resulting composites in energy storage and electrochemical catalysis will be investigated. The relationship between the molecular structures, the morphology of the supramolecular structures and their properties will be elucidated. The results of this project will provide new opportunities and inspire novel directions to the self-assembly study of positively charged PAHs as well as graphene materials. Moreover, these supramolecular structures obtained in this project will be very important for their practical applications in biology, energy and optic-electronic devices.

石墨烯拥有优异的性能和与众不同的二维形貌；稠环芳香阳离子化合物则具备带正电荷的芳香骨架和可调控的自组装行为。通过稠环芳香阳离子化合物与石墨烯共组装制备的纳米材料不但能够兼具两者的优势，还可以通过它们的协同作用进一步提升材料的性能。本项目拟设计合成数种具有不同骨架结构特征的含氮稠环芳香阳离子化合物，对其与氧化石墨烯的共组装行为进行研究，并对由共组装形成的复合材料在能源存储和电化学催化等方向的应用进行探索，理解分子结构、组装形成的超分子结构形貌以及性质之间的关系；本项目的研究成果将为稠环芳香阳离子化合物与石墨烯自组装研究带来新的机遇，提供更广阔的发展空间。也将为其在生物，能源和光电器件等领域的应用甚至产业化打下坚实的基础。

稠环芳香阳离子化合物同时具备共轭芳香骨架和阳离子官能团，可以利用其分子间的芳香作用和离子作用调控其自组装行为。另一方面，具有二维形貌的氧化石墨烯和还原氧化石墨烯含有共轭碳骨架和富电子的含氧官能团。通过稠环芳香阳离子化合物与石墨烯共组装制备复合材料不但能够结合两者的特点对所得材料的形貌进行有效调控，还可以利用两者的协同作用进一步提升材料的性能。在本项目研究过程中，本课题组合成了一系列基于氮杂二苯并芘，萘酰亚胺和苝酰亚胺等不同结构的含氮稠环芳香阳离子化合物，针对此类稠环芳香阳离子化合物与氧化石墨烯在极性溶剂中的共组装进行了系统研究，主要考察了分子结构、组装方法与条件等因素对所得复合材料的形貌的影响，同时也总结了所得复合材料的形貌和组成特点，探索了它们在锂离子电池、超级电容器和电催化等领域的应用可能。通过本项目研究，本课题组建立了多种稠环芳香阳离子化合物与石墨烯共组装的方法。并进而利用这些方法制备了多种具有可控形貌和优异电化学性能的复合材料。同时还将相关经验用于自组装制备其他石墨烯复合材料的工作之中，扩展了本项目成果的应用领域。