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厉害！北京航空航天大学，再发《Science》!又一世界级成果！

2021-10-19 15:47:57 0 3023

研究背景

MXene 材料最早是在 2011 年由 Drexel 大学研究人员通过氢氟酸选择性刻蚀三元层状碳化物Ti₃AlC₂ 中的 Al 层制备得到。MXene 是一类新型的具有类石墨烯结构的二维材料，由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。其化学通式为M_n+1X_nT_x，其中 n=1、2或3，M代表前过渡金属元素，如Sc、Ti、Zr、V等；X代表碳或氮/碳和氮；Tx代表合成过程中不可避免出现在其表面上的官能团。ＭXene二维晶体材料是Ｍ_n+1ＡXn相物质（简称 MAX相，其中Ｍ为早期过渡金属；Ａ为Ⅲ、Ⅳ主族元素；Ｘ为Ｃ或者Ｎ，ｎ＝１，2，3）通过化学溶剂刻蚀而得到的。因MAX相物质种类众多，因而通过化学刻蚀方法可以得到大量具有特殊性能的ＭXene材料。

被称为MXenes 的层状碳化钛(Ti₃C₂T_x) 具有良好的金属导电性和机械性能，使其成为柔性电极和电磁干扰(EMI)屏蔽的材料。实现这些用途的先决条件是将MXene组装成高性能宏观薄膜。层间相互作用、排列和致密性是高性能组装二维(2D)薄片的三个关键结构因素。

研究表明，丰富的表面官能团有助于设计MXene片之间的通过氢键、离子键和共价键相互作用。例如，由氢键制成的强MXene-聚乙烯醇薄膜。铝离子通过离子键合来强化MXene薄膜，相邻的MXene片层共价交联，以提高MXene薄膜的硬度。氢键和离子键结合后，MXene薄膜的抗拉强度达到436 MPa。然而，在组装MXene薄膜时，排列和致密性通常被忽略，限制了其机械和电性能的改善。聚多巴胺可用于将MXene片桥接成有序排列的MXene薄膜，提高拉伸强度和导电性。此外，刀片涂层方法被证明可以改善排列、拉伸强度和电学性能，然而，随着薄膜厚度从940纳米增加到2.4微米，由于厚薄膜的空隙和缺陷，其性能发生下降。

研究成果

MXenes是一个不断增加的二维过渡金属碳化物和/或氮化物材料家族，它们被密集堆叠成宏观分层的薄膜，并可能被用于柔性电磁干扰(EMI)屏蔽材料等应用。然而，碳化钛MXene薄膜的机械和电气可靠性受到其结构中空隙的影响。近日，北京航空航天大学程群峰教授课题组应用氢键和共价键合剂的顺序桥接诱导MXene膜的致密化和空洞的去除，合成了高度致密的MXene膜。所获得的MXene薄膜显示出高拉伸强度以及高韧性、导电性和电磁干扰屏蔽能力。这种高性能MXene薄膜是可扩展的，为将其他二维材料组装成高性能薄膜提供了途径。相关研究工作以“High-strength scalable MXene films through bridging-induced densification”为题发表在国际顶级期刊《Science》上。

这里介绍一下程群峰教授，北京航空航天大学化学学院，教授，博士生导师。国家杰出青年科学基金获得者，2008年获浙江大学高分子化学与物理博士学位，后分别在清华大学、美国佛罗里达州立大学从事博士后研究。2010年就职于北京航空航天大学化学学院主要从事高分子纳米复合材料的研究工作，针对高分子纳米复合材料存在的孔隙问题，提出了降低孔隙率提高力学性能的普适性策略，制备了一系列轻质高强纳米复合材料。先后获得国家优秀青年科学基金、牛顿高级学者基金和北京市杰出青年基金等人才项目的资助，获中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会青年化学奖，入选教育部青年长江学者。在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS, Angew. Chem., Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表SCI论文86余篇，其中影响因子>10的论文35篇，论文引用4300余次，H因子35，授权中国发明专利22项，部分研究成果被Nature选为研究亮点报道、人民日报头版报道。祝贺！

图文速递

图1. SBM薄膜的结构表征

图2. SBM薄膜的力学性能

作者使用氢键和共价键的顺序桥接过程演示了一种有效的致密化策略(图1,a和E)。采用Ti₃AlC₂ MAX相选择性刻蚀Al层的方法剥离Ti₃C₂T_x MXene薄片，并用x射线衍射(XRD)，扫描电镜(SEM)和原子力显微镜(AFM)进行表征。制备了四种不同羧甲基纤维素钠(CMC)含量的氢键MXene (HBM)薄膜。CMC含量为10% (wt %)时所获得的效果最好。在CMC含量为10% wt %的固定条件下，随着硼含量的增加，制备了四种顺序桥接MXene (SBM)薄膜(SBM-I至SBM-Iv)。为了比较，采用相同的浸渍、漂洗和退火工艺对MXene膜进行处理，制备了相应的共价键桥MXene膜。

图2A中可以看出MXene薄膜和桥接MXene薄膜的拉伸应力-应变曲线。MXene薄膜的拉伸强度为87±3 MPa，杨氏模量为6.1±0.6 GPa，韧性为1.3±0.1 MJ/m3。MXene薄膜的杨氏模量和拉伸强度低于单个MXene薄片的杨氏模量和拉伸强度，这意味着MXene薄膜的机械性能受到弱层间连接性和结构缺陷的限制。当氢键和共价键结合剂协同产生致密化作用后，SBM薄膜表现出极高的机械性能：拉伸强度为583±16 MPa、杨氏模量为27.8±2.8 GPa、韧性为15.9±1.0 MJ/m³，同时具有优异的电导率。

图3.SBM薄膜的电磁干扰屏蔽性能和抗疲劳、氧化和应力松弛性能

图4.采用DB浇注法制备的大面积SBM膜的性能和在潮湿空气中储存的SBM膜的电磁屏蔽性能

优异的导电性使得3.0 mm厚的SBM薄膜在0.3到18 GHz之间具有56.4 dB的高EMI屏蔽效果(EMI SE)(图3A)。SBM薄膜的EMI SE略高于3.2 mm厚的HBM薄膜(55.7 dB)，但低于3.1 mm厚的CBM薄膜(61.3 dB)和3.4 mm厚的CBM薄膜(60.0 dB)。这些薄膜的主要屏蔽机制是吸收，部分原因是它们的层状结构。此外，作者使用一个可靠的参数(SSE/ T)，定义为比屏蔽效能(SSE)除以厚度(T)，来评估SBM薄膜的整体屏蔽性能。SBM薄膜的SSE/t为62,458 dB cm²/g，高于大多数固体屏蔽材料的SSE/t(图3B)。

结论与展望

综上所述，MXene薄膜中大量的空隙降低了薄膜的机械和电气性能。作者应用了氢键和共价键合剂的顺序桥接来有效地去除空隙，从而得到高度致密的MXene薄膜。这些薄膜表现出高的拉伸强度，以及高杨氏模量，韧性，抗超声损伤，循环机械变形，氧化和应力松弛，并且具有良好的导电性和电磁干扰屏蔽性能。

文章链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/science.abg2026

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