北航程群峰《PNAS》：超高強度、耐水的MXene薄膜

碳化鈦基MXene具有優異的導電性和機械強度，在航空航天以及柔性電子領域有著極好的應用前景。但是，將MXene納米片組裝成力學性能優異且環境穩定性好的複合材料仍然較為困難，這也限制了它的應用前景。為解決這一問題，北京航空航天大學程群峰教授團隊採用兩步橋接的方式，利用氫鍵和離子鍵組裝了超高強度、耐疲勞和耐氧化的MXene薄膜。該薄膜的拉伸強度高達436 MPa，電導率為2988 S/cm，絕對電磁屏蔽效能達到了58929 dB·cm²/g。該研究以題為「Strong sequentially bridged MXene sheets」發表在最新的《PNAS》上。

【MXene複合薄膜（SBM）的製備】

如圖1所示，他們首先利用海藻酸鈉（SA）與MXene表面的官能團之間的氫鍵作用，製備了氫鍵作用的MXene薄膜（HBM），隨後對薄膜進行Ca²⁺交聯，得到了既有氫鍵作用又有離子鍵作用的MXene複合薄膜（SBM）。隨後的形貌表徵可以看出，薄膜中的MXene片之間堆疊緊密且具有良好的取向性，且Ca²⁺分布較為均勻。廣角X射線散射結果表明，SBM中的MXene納米片具有極高的取向度。

圖1 SBM的製備過程以及形貌表徵

【SBM的化學結構】

如圖2所示，HBM的層間距（1.41 nm）要高於MXene薄膜（1.29 nm），也說明SA分子鏈成功引入到了MXene片層中間。而僅用離子交聯的IBM的層間距（1.20 nm）低於MXene薄膜，這說明Ca²⁺與MXene納米片具有強的相互作用。隨後的FT-IR和XPS結果中也印證了這一點。比如，-OH的峰位置從MXene薄膜的3432 cm^-1處紅移到了HBM的3420 cm^-1處。而IBM中，-OH的峰位置處在3424cm^-1處，且強度變弱。XPS結果中，O-C=O的結合能從HBM的288.9 eV移動到了SBM的288.4 eV。這些結果表明，SA分子鏈與MXene表面的-OH形成了氫鍵作用，且Ca²⁺與MXene的-COO^－形成了較強的離子鍵作用。

圖2 SBM的化學結構

【SBM的力學和電磁屏蔽性能】

隨後，他們對各個樣品的力學性能進行了表徵。其中，SBM的拉伸強度達到了436 MPa，楊氏模量為14 GPa，斷裂功為8.39 MJ/cm³，分別是HBM、IBM和MXene薄膜的180%、150%和120%，同時也遠優於之前文獻報導的結果。此外，他們對樣品的電磁屏蔽性能進行了表徵。結果表明，在厚度僅為2.8 μm的情況下，SBM的電磁屏蔽性能達到了46.2 dB（0.3-18 GHz），絕對屏蔽效能達到了58929 dB·cm²/g，高於之前報導的MXene基、石墨烯基、碳納米管基複合材料，甚至高於金屬膜的電磁屏蔽效能。這些結果表明，SBM薄膜具有優異的力學強度和電磁屏蔽性能。

圖3 SBM的力學和電磁屏蔽性能

【SBM的斷裂機理】

隨後，作者採用分子動力學模擬對SBM薄膜的超強力學性能進行了模擬。首先，在應力的作用下，MXene納米片發生相對滑移，隨著應力增加，SA分子鏈與MXene之間的氫鍵發生破壞和重構，吸收了大部分能量。同時，SBM中的離子鍵也開始發生破壞，直至最終整個材料發生宏觀的斷裂。從SEM斷面圖中也可以看出，SBM的斷面處呈現出捲曲的形貌，也驗證了模擬的結果。

圖4 SBM的斷裂機理分析

【SBM的耐疲勞性和環境穩定性】

隨後，作者表徵了各個樣品彎折後的力學穩定性。SBM在經過360 ^o彎折循環超過20萬次和循環拉伸後，其拉伸強度仍然保持在250 MPa以上，遠優於IBM、HBM和純MXene薄膜。此外，經過彎折後SBM的電導率和拉伸強度的保持率分別高達78.5和87.2%，明顯優於另外三種材料。更重要的是，SBM在潮溼環境中仍然保持了較好的穩定性。將SBM放置於溼度為100%的環境中保持10天後，其電導率的保持率高達76%，遠優於另外三種樣品。

圖5 SBM的抗疲勞性以及環境穩定性

【總結】作者利用製備了氫鍵和離子鍵橋接的超高強度MXene複合薄膜，該複合薄膜表現出了超高的拉伸強度，超強的環境穩定性和機械穩定性。該研究結果為高性能MXene基複合材料在柔性電子和航空航天應用方面提供了新的設計思路。

原文連結：

https://www.pnas.org/content/early/2020/10/20/2009432117

來源：高分子科學前沿

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