研究方向

低维功能材料与器件课题组是由国家优秀青年科学基金获得者徐宇曦研究员带领的一支年轻且充满活力的研究团队，目前有博士后2名，博士生4名，访问学生2名。课题组主要致力于新型高分子和石墨烯等低维功能材料的化学制备、可控组装复合及其在能源、催化和分离中的应用。

1. Tian Sun, Yan Liang, Yuxi Xu*, “Rapid, Ordered Polymerization of Crystalline Semiconducting Covalent Triazine Frameworks”, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, DOI: 10.1002/anie.202113926. Link

2. Haiyan Duan, Pengbo Lyu, Jingjing Liu, Yanli Zhao, Yuxi Xu*, “Semiconducting Crystalline Two-Dimensional Polyimide Nanosheets with Superior Sodium Storage Properties”, ACS Nano, 2019, 13, 2473-2480. Link

3. Runze Liu, Yu Zhang, Zhenjian Ning, Yuxi Xu*, “A Catalytic Microwave Process for Superfast Preparation of High-Quality Reduced Graphene Oxide”, Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 15677-15682. Link

4. Jingjing Liu, Wu Zan, Ke Li, Yang Yang, Fanxing Bu, Yuxi Xu*, “Solution Synthesis of Semiconducting Two-Dimensional Polymer via Trimerization of Carbonitrile”, J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 11666-11669. Link

二维材料的设计与合成

二维高分子材料因其独特的结构和功能特性吸引了越来越多的关注。不同于传统的线性、交联高分子，二维高分子是由功能化单体沿二维拓扑平面聚合而形成的一类特殊的高分子材料，其在二维平面上具有长程有序性（周期性），表现为单层纳米片（分子片）结构（严格定义）。不同于天然二维高分子—石墨烯，合成二维高分子具备更为丰富的结构可设计和功能化特性。目前，二维高分子可通过层状材料的剥离（top-down）和界面法包括“液-液界面”“气-液界面”等制备得到，但以往的合成方法可拓展性有限，产率较低，极大的影响了该材料的进一步发展和产业化应用。本课题组长期聚焦于二维高分子的合成和应用研究，目前已建立系列二维高分子合成路线，包括基于三嗪二维高分子的动态界面合成，微波辅助高效有序聚合，以及聚酰亚胺二维高分子的溶剂热合成等。所得二维高分子在微纳电子领域，储能领域及光催化领域都展现出极大的应用前景。

1. Jiwei Wang, Kaixi Wang, Yuxi Xu*, “Emerging Two-Dimensional Covalent and Coordination Polymers for Stable Lithium Metal Batteries: From Liquid to Solid”, ACS Nano 2021, 15, 12, 19026–19053. Link

2. Chaoqun Niu, Wenjia Luo, Chenmin Dai, Chengbing Yu, Yuxi Xu*, “High-Voltage-Tolerant Covalent Organic Framework Electrolyte with Holistically Oriented Channels for Solid-State Lithium Metal Batteries with Nickel-Rich Cathodes”, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24915-24923. Link

3. Xiaohua Qiao, Chaoqun Niu, Dankui Liao, Zhonghui Chen*, Lixia Sun*, Yuxi Xu*, “A Self-Growth Strategy for Simultaneous Modulation of Interlayer Distance and Lyophilicity of Graphene Layers toward Ultrahigh Potassium Storage Performance”, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2105145. Link

4. Peitao Xiao, Shuo Li, Chengbing Yu, Ying Wang*, Yuxi Xu*, “Interface Engineering between Metal-Organic Framework Nanocrystal and Graphene toward Ultrahigh Potassium-Ion Storage Performance”, ACS Nano, 2020, 14, 10210-10218.

Link

二维材料应用于光电催化

与三维材料相比，二维材料具有大的比表面积、较多的活性位点和较快的传质等优点，在光催化，电催化和异相有机催化等催化应用领域得到了广泛的关注。特别是对于一些具有高结晶的的二维材料（例如COF，MOF和CTF等），其具有明确的分子结构和规则的孔结构。通过改变单体的类型可以轻易的实现具有特殊催化功能的分子结构，同样可以通过对规则孔进行调节和修饰以实现较高的催化效率，因此，最近几年高结晶的二维高分子快速发展。目前，课题组主要关注石墨烯以及类石墨烯的高结晶的二维材料在光催化、电催化领域的应用，通过微调二维材料的微结构和电磁特性已实现较高的催化效率，并且制备的二维材料表现出较高的催化稳定性和较好的选择性。我们的研究为二维材料在光催化、电催化领域提供了借鉴，为发展更高效的二维催化剂提供了宝贵的借鉴。

1. Congxu Wang, Hualei Zhang, Wenjia Luo, Tian Sun, Yuxi Xu*, “Ultrathin Crystalline Covalent-Triazine-Framework Nanosheets with Electron Donor Groups for Synergistically Enhanced Photocatalytic Water Splitting”, Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 25381-25390. Link

2. Kai Cui, Qingtao Wang, Zenan Bian, Gongming Wang, Yuxi Xu*, “Supramolecular Modulation of Molecular Conformation of Metal Porphyrins toward Remarkably Enhanced Multipurpose Electrocatalysis and Ultrahigh-Performance Zinc–Air Batteries”, Adv. Energy Mater. 2021, 11, 2102062. Link

二维材料应用于膜分离

膜分离技术凭借其绿色、高效、安全、节能的特点，已成为解决水资源、能源、环境等领域的共性关键技术，受到了学术界和工业界广泛的关注和研究。研究和开发新型膜材料一直是膜技术的关键核心问题。氧化石墨烯、共价有机框架等二维材料是近年发展起来的一类新型膜材料。与传统的高分子膜相比，二维材料膜由于其超薄的原子级厚度而显示出极低的传质阻力，同时纳米片固有的孔道和二维片层形成的层间通道也可以赋予分离膜优异的分离效率，从而突破传统膜材料在渗透性和选择性之间固有的“Trade-off”限制。凭借上述特点，二维材料在气体分离和液体分离方面都展现出良好的应用潜力。本研究方向旨在发展新的方法制备具有可调孔孔径的二维多孔薄膜材料，主要研究兴趣包括膜孔径调控方法、二维多孔薄膜的荷电及其亲疏水等功能化、二维多孔膜的精密分离行为及其在水处理、有机溶剂过滤、气体分离、离子筛分等领域的应用等。

二维材料应用于能源存储与转化

1991年以来，锂离子电池成功商业化应用并取得了长足的进步。然而，现有商业化的锂离子电池体系在能量密度、充放电性能和安全性等方面无法满足日益增长的实际应用需求。以锂金属为负极材料的锂金属电池体系，具有最高的理论能量密度。但是，锂金属电池体系在液态/凝胶电解质体系中表现出高化学反应活性和严重的锂枝晶生长，导致了电池的快速失效和安全性问题。固态电池器件采用固态无机陶瓷/固态聚合物电解质可以从本源上规避这些问题。目前，无机陶瓷类电解质可以提供锂离子快速传输的性能，但却存在严重的界面问题。而对于传统的固态聚合物电解质，较低的室温离子电导率和有限的高压稳定性是限制其应用的重要障碍。因此，本课题组从固态电池中的基础科学问题出发（离子传导与界面问题），基于低维高分子材料，致力于开发出匹配实际使用需求的固态电池。