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为强大的多功能薄膜桥接 MXene 层

机械 纳米 石墨烯


为强大的多功能薄膜桥接 MXene 层


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概括
在最近的一项科学工作中 ， 北京航空航天大学的Cheng团队展示了坚固而坚韧的MXene薄膜 ， 具有出色的导电性、环境稳定性和电磁干扰屏蔽性 。 2D MXene片材与羧甲基纤维素钠和硼酸盐离子的顺序桥接产生多功能复合材料 。



早期过渡金属的二维(2D)钛碳化物、氮化物和碳氮化物—称为MXene ， 例如Ti3C2TX、Ti2NTX或Ti3CNTX ， 其中TX代表表面终端（O、OH等）—已被研究用于十多年来 ， 数十种MXenes的众多应用已被探索 ， 因为它们具有出色的电子、光学和机械性能以及可扩展的合成、易于从水分散体中加工和功能化的表面 。 1 MXenes具有出色的强度、杨氏模量 ， 以及大块碳化物和氮化物的导电性 。 2即使二维Ti3C2TX层之间的结合较弱 ， MXene薄膜的机械强度也超过了铝箔 。 3将MXene与聚合物和有机分子结合使用有望生成具有独特机械和功能性能 ， 大大超过仅由二维薄片组装而成的纯薄膜 。 4世界上许多研究小组正在致力于将MXene薄片组装成宏观高性能薄膜 ， 用于电池和超级电容器电极和集电器、医学中的可植入和表皮电极、天线和电磁干扰(EMI)屏蔽、组织工程支架以及水过滤膜和气体分离 。 5在对保护电子设备和人体免受电磁辐射至关重要的EMI屏蔽中 ， 碳化钛和碳氮化物MXene优于其他材料 。 6随着我们周围电子设备数量的增加 ， 物联网的出现 ， 无线技术的主导地位通信和使用电磁武器的威胁 ， 对薄而高性能的屏蔽（法拉第笼）材料的需求也大大增加 ， 这些材料也可以制成独立的薄膜并用于结构部件或包装 。
用于EMI屏蔽的复合材料通常包含有助于屏蔽的导电成分（例如石墨烯、碳纳米管或金属纳米线）和将导电颗粒保持在一起的聚合物成分 ， 从而为薄膜/涂层提供柔韧性和机械强度 。 7然而 ， 石墨碳或金属表面与聚合物之间的弱范德华键合使得制造机械强度高的薄膜成为一项挑战 。 MXene是所有溶液处理的2D材料中最强和最坚硬的8 ， 它们与聚合物的结合可能会产生超强的珍珠层状复合结构 。 9这些有机-无机杂化物的实际实现已被证明具有挑战性 ， 而传统方法导致结果好坏参半.弱氢键不能提供足够高的强度 ， 而共价键会导致硬而脆的薄膜 。 此外 ， 通常用于制备MXene薄膜和MXene-聚合物复合材料的真空辅助过滤、喷涂和刮涂会产生孔隙 ， 从而削弱薄膜并允许水进入 ， 从而导致在潮湿环境中膨胀和降解 。 此外 ， 由于与其他2D材料（例如氧化石墨烯）相比 ， MXene薄片表现出更高的弯曲刚度和刚度 ， 8如果在组装过程中不施加压力 ， 则薄膜中会保留空隙 。
最近 ， 由北京航空航天大学程群峰教授领导的一组研究人员在他们发表在《科学》杂志上的文章中表明 ， 通过使用氢和共价键合剂对二维碳化钛MXene片材进行连续桥接会诱导致密化并产生具有致密薄膜的致密薄膜 。 独特的性能组合 。 10首先 ， 他们通过在LiF-HCl溶液中蚀刻Ti3AlC2 MAX相（MILD方法）来生产Ti3C2TX 。 然后 ， 他们将羧甲基纤维素钠(CMC)溶液添加到MXene水分散体中 。 搅拌混合物并用于通过真空辅助过滤或刮刀涂布制造氢键合MXene薄膜 。 当将该薄膜浸入四硼酸钠（俗称硼砂）溶液中时 ， 硼酸盐离子会在CMC分子链和MXene薄片的表面官能团上插入并共价交联羟基 ， 从而添加共价键（图1A） 。 对添加的CMC和硼砂的量对所得薄膜性能的参数研究使作者能够确定性能随成分的变化 ， 并选择具有理想性能组合的最佳成分 。 作者使用纳米级X射线计算机断层扫描(nano-CT)显示 ， 由于用CMC桥接薄片和填充间隙 ， 孔隙率从约15%降低到5% 。 这种方法可以去除空隙 ， 并在很宽的频率范围内实现高拉伸强度和韧性、高导电性和高EMI屏蔽效率（图1B和1C） 。 与纯MXene薄膜相比 ， 紧凑的顺序桥接MXene (SBM)薄膜的拉伸强度提高了5倍 ， 杨氏模量提高了3-4倍 ， 韧性提高了一个数量级 。 SBM薄膜在约400 MPa应力下经受了420000次拉伸循环后失效 。 由于MXene薄片和桥接分子之间的强界面相互作用 ， 它们对超声损伤和应力松弛的抵抗力也比纯MXene薄膜高得多 。 此外 ， MXenes可能与空气中的水和氧气发生反应 ， 尤其是在高温下 ， 因为水有通道可以渗透到层间 。 桥接结构最大限度地减少了水分子在MXene层之间的渗透 ， 这通常会导致MXene膨胀和缓慢降解 。 因此 ， SBM薄膜在潮湿空气中储存10天后表现出出色的EMI屏蔽效果保持性（图1C） 。 SBM薄膜的进一步热退火导致共价键合、增加的导电性和EMI屏蔽效果的支配 ， 但以拉伸强度和韧性为代价 。

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