Synthesis and Assembly 2D Heterostructured Hybrid Stacks

合成和组装 2D 异质结构混合堆栈

基本信息

  • 批准号:
    2200366
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 52万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2022-09-01 至 2025-08-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

With the support of the Macromolecular, Supramolecular and Nanochemistry (MSN) program in the Division of Chemistry, Professors Vladimir Tsukruk and Zhiqun Lin of Georgia Institute of Technology will develop novel synthetic approaches to two-dimensional nanosheets and study the assembly and properties of the nanosheet stacks. Due to special Lego-like staggering of metal atoms and organic molecular species with controlled gaps between individual layers, these 2D stacks may possess useful ion transport, charge storage, and interfacial chemical properties for energy storage applications as for example might find application in lightweight battery technology. The research project will provide interdisciplinary research training to graduate and undergraduate students, including students from underserved groups. A life and career mini-workshop series will be established to provide opportunities for graduate and undergraduate students to interact with and learn from the experience of Professor Tsukruk’s former students and post-docs working in industry, national laboratories, and academia.Specifically, this collaborative research project by the Tsukruk and Lin laboratories will focus on the study of nanosheets of MXenes (with a general formula of Mn+1XnTx, where M is a transition metal, X is carbon and/or nitrogen, Tx is the surface functional group (e.g., OH, O or F), and n=1, 2 or 3) and metal oxides (V2O5, SnO2 and NiO). The research team will develop synthetic approaches to MXene/MOx nanosheets supported by organized reactive templates with oxidation stability, gap control, and assembly abilities. The integration of polymers and organic species with inorganic nanosheets may result in a controllable interlayer space and increased ion accessibility and structural stability. Three major research task of this project include: 1) synthesis of functionalized MXenes with tailored surface chemistry, symmetry, and dimensions by focusing on the rational design of heterostructured 2D MX/MOx binary and ternary stacks with functionalized nanosheets as pre-programmed reactive templates; 2) assembly and fabrication of both horizontal stacks and vertically aligned stacks composed of organic-inorganic composite nanosheets; and 3) real-time monitoring of ion transport by utilizing unique methods for in-situ neutron reflectivity and grazing-angle wide-angle X-ray scattering with in-situ high-resolution scanning probe microscopy for understanding fundamental characteristics of interfacial chemistry, confined ion transport, ion-walls interactions, and organization-transport relationships.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
在化学系高分子、超分子和纳米化学(MSN)项目的支持下,佐治亚理工学院的Vladimir Tsukruk和Zhiqun Lin教授将开发二维纳米片的新型合成方法,并研究纳米片的组装和性能由于金属原子和有机分子物质具有特殊的乐高式交错结构,并且各个层之间的间隙受到控制,因此这些 2D 堆栈可能具有有用的离子传输、电荷存储、例如,储能应用的界面化学特性可能会应用于轻质电池技术,该研究项目将为研究生和本科生提供跨学科研究培训,包括来自服务不足群体的学生。为研究生和本科生提供与 Tsukruk 教授以前的学生和博士后在工业界、国家实验室和学术界工作的经验进行互动和学习的机会。具体来说,这个由 Tsukruk 和 Lin 合作的研究项目实验室将重点研究MXenes纳米片(通式为Mn+1XnTx,其中M是过渡金属,X是碳和/或氮,Tx是表面官能团(例如OH、O或F) ,且n=1、2或3)和金属氧化物(V2O5、SnO2和NiO)。研究小组将开发由组织支持的MXene/MOx纳米片的合成方法。具有氧化稳定性、间隙控制和组装能力的反应模板将聚合物和有机物质与无机纳米片结合可能会产生可控的层间空间并增加离子可及性和结构稳定性,该项目的三个主要研究任务包括:1)合成。通过专注于异质结构 2D MX/MOx 二元和三元堆栈的合理设计,以功能化纳米片作为预编程反应,制备具有定制表面化学、对称性和尺寸的功能化 MXene模板;2)由有机-无机复合纳米片组成的水平堆叠和垂直排列堆叠的组装和制造;以及3)利用独特的原位中子反射率和掠角广角方法实时监测离子传输使用原位高分辨率扫描探针显微镜进行 X 射线散射,用于了解界面化学、受限离子输运、离子壁相互作用和组织输运关系的基本特征。授予 NSF 的法定使命,并通过评估反映使用基金会的智力优点和更广泛的影响审查标准,被认为值得支持。

项目成果

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