編輯推薦：將優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能集成到MXene基板中仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。本文制備的MXene (SBM)板材抗拉強(qiáng)度為436 MPa，韌性為8.39 MJ/m3，楊氏模量為14.0 GPa，還具有高導(dǎo)電性和非凡的電磁屏蔽效能。經(jīng)過100次360度折疊后，可以保持原有電導(dǎo)率的78.5%和原有抗拉強(qiáng)度的87.2%。這種高性能MXene復(fù)合材料，在柔性電子器件和航空航天領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。
MXene材料是一類具有二維層狀結(jié)構(gòu)的金屬碳化物和金屬氮化物材料,其外形類似于片片相疊的薯片。碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene具有優(yōu)良的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，在航空航天和柔性電子領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。然而，將MXene納米片組裝成宏觀高性能納米復(fù)合材料具有挑戰(zhàn)性，從而限制了MXene的實(shí)際應(yīng)用。近日，來自北京航空航天大學(xué)的程群峰等研究者，通過氫鍵和離子鍵的順序橋接制造了高強(qiáng)高導(dǎo)電的MXene薄片。相關(guān)論文以題為“Strong sequentially bridged MXene sheets”發(fā)表在PNAS上。
論文鏈接：
https://www.pnas.org/content/early/2020/10/20/2009432117?cct=1736
碳化鈦(Ti3C2Tx) MXene，二維過渡金屬碳化物，是一個(gè)新興有前途的功能材料，由于其優(yōu)異的機(jī)械和電氣性能，可用于靈活的電子設(shè)備，航空航天，如超級(jí)電容器、鋰離子電池、電磁干擾(EMI)屏蔽等眾多領(lǐng)域中。表面極性官能團(tuán)(Tx)，如-F，=O和-OH，使MXene納米片易于通過氫鍵、離子鍵和共價(jià)鍵連接。
2011年發(fā)現(xiàn)的MXene納米片，通過各種界面相互作用，被人們大量地組裝成宏觀的高性能MXene基納米復(fù)合材料。例如，各種聚合物或納米材料與含氧極性基團(tuán)，如聚乙烯醇(PVA)、殼聚糖、海藻酸鈉(SA),聚(材料間是的運(yùn)動(dòng))聚(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)、纖維素納米纖維(CNF),芳綸納米纖維(ANF)、蒙脫石、石墨烯氧化物，由氫鍵引入MXene夾層，改善了MXene片的機(jī)械性能。Liu等人使用離子交聯(lián)來增強(qiáng)MXene片。Shen等人通過共價(jià)橋接鄰近的MXene小塊來提高M(jìn)Xene片材的附著力和剛度。然而，這些策略通常只會(huì)以電導(dǎo)率的大幅降低為代價(jià)，對(duì)MXene-基板的力學(xué)性能造成輕微的改善，限制了它們的實(shí)際應(yīng)用。例如，MXene-PVA片材具有中等的拉伸強(qiáng)度91 MPa，但極低的導(dǎo)電性僅為0.0004 S/cm。
最近，一種質(zhì)子酸膠體處理方法被證明可以促進(jìn)MXene薄片的電學(xué)和力學(xué)性能，但是由于薄片間的連接性較弱，所獲得的抗拉強(qiáng)度(102 MPa)遠(yuǎn)低于此前報(bào)道的最強(qiáng)的MXene-CNF薄片(341 MPa)。因此，盡管取得了一些進(jìn)展，但將優(yōu)異的機(jī)械和電學(xué)性能集成到MXene基板中仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。
在這項(xiàng)工作中，研究者報(bào)道了通過順序橋接過程構(gòu)建高性能的MXene基板，其中MXene納米板首先通過氫鍵與SA橋接，然后通過離子鍵與鈣離子(Ca2+)橋接生成雜化的MXene-SA構(gòu)建塊。順序橋接MXene (SBM)板材的平面抗拉強(qiáng)度為436 MPa，韌性為8.39 MJ/m3，楊氏模量為14.0 GPa，分別是純MXene板材的6.9倍、13.5倍和2.5倍。此外，SBM薄片具有高導(dǎo)電性(2,988S/cm)和非凡的歸一化EMI屏蔽效能(SE) (58,929dB·cm2/g)。在最大拉應(yīng)力水平為245MPa時(shí)，SBM片材的疲勞壽命超過2×105次。經(jīng)過100次360度折疊后，SBM片材可以保持原有電導(dǎo)率的78.5%和原有抗拉強(qiáng)度的87.2%。在潮濕環(huán)境下，它們也表現(xiàn)出優(yōu)異的長(zhǎng)期電氣穩(wěn)定性。分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬表明，同時(shí)提高拉伸強(qiáng)度和韌性是由于有效的載荷轉(zhuǎn)移和MXene納米薄片的大滑移。
圖1 SBM薄片的制備與結(jié)構(gòu)表征。
圖2 SBM薄片的XRD和光譜表征。
圖3 SBM板材的機(jī)電性能。
圖4 SBM薄片的斷裂機(jī)理。
圖5 SBM片材抗重復(fù)拉伸、拉伸和折疊造成的機(jī)械損傷，以及在潮濕環(huán)境下的長(zhǎng)期電氣穩(wěn)定性。
綜上所述，研究者證明了氫和離子鍵合劑的連續(xù)應(yīng)用可以優(yōu)化韌性、抗拉強(qiáng)度、潮濕環(huán)境下的抗氧化性，以及抗超聲解體和機(jī)械破壞。這些MXene片材的抗拉強(qiáng)度高達(dá)436 MPa。這里的順序橋接工藝可用于組裝其他MXene納米片，形成高性能MXene復(fù)合材料，在柔性電子器件和航空航天領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。（文：水生）
本文來自微信公眾號(hào)“材料科學(xué)與工程”。
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