南京工业大学陈苏教授课题组近年来重要工作概览

陈苏教授简介

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 Asia Materials、MRS Bulletin、Chemical & Engineering News、Chemistry Views等学术媒体的广泛报道。担任Journal of Nanomaterials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。

南京工业大学陈苏教授

现将陈苏教授团队近年重要研究成果总结如下。

（1）基于纤维纺丝化学法的静电微流控构筑高耐水钙钛矿纤维膜

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。陈苏教授课题组首次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-spinning chemistry，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（图1）。

图1. 纤维纺丝化学法制备全无机卤化物钙钛矿纳米晶（PNCs）掺杂的聚合物。

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（图2）（Adv. Sci., 2019, 6, 1901694）。

图2. 高稳定性PNCs /聚合物纤维膜。

（2）微流体纺丝构筑纤维基超级电容器及其可穿戴应用

当今，新能源储存技术在科学研究、工业化生产等领域受到了广泛的关注，特别是在未来高端智能化的可穿戴设备行业（年产值280亿美元）。为了满足智能可穿戴市场供能的需求，开发具有轻质、高柔性、可折叠、高能量密度的储能设备是该领域的重大挑战及攻坚课题。

陈苏教授课题组基于微流体纺丝技术，制备黑磷复合纤维无纺布电极，并将其构筑具有高能量密度输出的柔性超级电容器（图3）。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（Nat. Commun., 2018, 9, 4573）。

图3. 微流控纺丝技术制备黑磷复合纤维无纺布电极及其应用。

针对纤维基材料微结构重复性差、难以调控、成分不均一及规模化制备困难等，造成器件中电荷迁移速度慢、累积总量少、能量密度低等缺点，陈苏教授课题组利用液滴微流控反应的方法，将组成基元（硝酸锌、二甲基咪唑、氧化石墨烯和碳纳米管）在限域微空间内快速反应，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（孔径0.86 nm）、大的比表面积（1206 m² g^-1）和丰富的氮含量（10.63%）。再者，针对电极力学性能差和难以规模化制备等难题，首次开发微流体气喷纺丝方法（图4），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%）的纤维基超级电容器电极材料（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 17465-17473）。

图4. 微流体纺丝制备高性能无纺布电极材料。

以纤维基无纺布电极构筑的超级电容器表现出优异的电化学性能（图5），如高能量密度（147.5 mWh cm^-3）和大比电容（472 F cm^-3）。陈苏教授课题组将超级电容器和太阳能电池集成，形成自供电系统，实现为柔性电子器件有效供能的应用。此设计为可穿戴产业的发展提供新途径。

图5. 柔性超级电容器的可穿戴应用。

（3）磁热法大规模制备荧光碳量子点及其在微流体纺丝中的应用

碳量子点具有无毒廉价、优异的物理化学和光学性能，在生物、能源、显示等领域得到广泛的应用。然而，传统的合成方法（如溶剂热、微波合成等），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，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。

陈苏教授课题组发展了基于磁热新方法，可大规模制备荧光碳量子点，解决了碳量子点合成困难、无法工业化生产的问题。研究者创新地采用磁热反应器，通过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（图6）。

图6. 磁热法大规模制备碳量子点及其在伤口愈合上的应用。

再者，通过优化反应条件，可以在一小时内制备多达80 g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。陈苏教授课题组还研究了不同阳离子对碳点荧光的调节作用，发现钠离子和钾离子的加入，会使荧光发生红移（图7）。

图7. 磁热反应机理的研究。

同时，陈苏教授课题组研究了碳量子点在微流体纺丝中的增强效果，发现随着碳量子点的加入，PCL纳米纤维膜的力学性能有显著增强（图8）。这项研究成果提升了对荧光碳量子点合成方法的认知水平，对碳量子点材料产业化应用具有重要的现实意义（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 132, 3123-3129）。

图8. 碳量子点应用于促进伤口愈合。

（4）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是重要的研究方向。

陈苏教授课题组利用微流控技术，通过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，实现特定形貌组装体的可控组装（图9）。

图9. 微流控技术和自愈合力驱动的宏观自组装方法示意图。

通过微流体技术制备了两种球形凝胶微珠：基于环糊精的主体凝胶微珠Gel 1 (β-CD-based Gel 1) 和基于乙烯基咪唑的客体凝胶微珠Gel 2 (VI-based Gel 2)，利用凝胶微珠之间的相互作用力实现宏观自组装。Gel 1凝胶微珠通过氢键作用进行自组装，Gel 1和Gel 2凝胶微珠通过协同的主客体作用和氢键作用实现自组装。此方法可以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（图10）。

图10. 多维度水凝胶材料的设计和快速构筑。

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，实现了特定形貌组装体的可控组装（图11）。这项研究成果提升了对在限域空间中自组装宏观材料的认知水平，也拓展与丰富了多维度功能材料的制备手段（Adv. Mater., 2018, 30, 1803475）。

图11. 微流控通道诱导组装。

（5）高疏水光子晶体及其微流控组装

光子晶体有着周期性介电结构及光子带隙可控设计的特点，具有重要的应用前景。然而，传统的光子晶体膜（如聚苯乙烯（PS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）以及二氧化硅（SiO₂）），由于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下。

陈苏教授课题组开发了一种高疏水的聚丙烯酸叔丁酯P（t-BA）光子晶体新方法。此方法巧妙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（图12）。

图12. P(t-BA)乳液的合成、疏水力诱导大面积组装及在背光源的应用。

该课题组发现了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（图13）。

图13. 多维度水凝胶材料的设计和快速构筑。

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，该课题组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（图14）（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 13556-13564）。

图14. 光子晶体膜应用于显示增强。

导师介绍

陈苏教授课题组网页

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