近日,深圳大學(xué)特聘教授張晗團(tuán)隊在美國化學(xué)會(ACS)著名期刊Chemistry of Materials上發(fā)表題為“MXene/Polymer Membranes: Synthesis, Properties, and Emerging Applications”的綜述論文。該論文詳細(xì)綜述了MXene/聚合物薄膜的制備和性質(zhì),并對MXene/聚合物薄膜在各領(lǐng)域的應(yīng)用做了詳細(xì)介紹(圖1)。
圖1. MXene/聚合物薄膜的制備及其應(yīng)用總結(jié):餅圖的大小代表了制備方法和實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)論文占總發(fā)表論文的比重。
過渡金屬碳/氮化物(MXene)是由美國德雷塞爾大學(xué)(Drexel University)Yury Gogotsi 等人在2011年首次發(fā)明的新型二維材料,由于其優(yōu)異的特性,迅速引起了科研工作者們的廣泛關(guān)注。MXene具體指的是一類具有Mn+1XnTx元素組成的材料,其中M表示過渡族金屬元素,X表示碳或氮原子,T指材料表面的官能團(tuán),其具體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為n層碳或氮原子穿插在n+1層過渡金屬原子間,n取值為1、2或3,代表了MXene的三種原子排列類型。目前已經(jīng)有超過30種MXene被成功制備,并廣泛應(yīng)用到于儲能、電磁屏蔽、水凈化、傳感器、催化產(chǎn)氫、光熱治療以及核廢料處理等領(lǐng)域。然而MXene易氧化降解的問題限制了其進(jìn)一步發(fā)展,將MXene與其他材料復(fù)合能夠有效提高M(jìn)Xene的環(huán)境穩(wěn)定性,拓寬其實(shí)際應(yīng)用范圍。高分子聚合物具有制備簡單、價格低廉以及功能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn),自2014年首次將聚乙烯醇與Ti3C2混合制備復(fù)合薄膜以來,MXene/聚合物薄膜得到了迅速的發(fā)展,目前急需對MXene/聚合物薄膜進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié),以指導(dǎo)高性能MXene/聚合物薄膜的制備。
基于此,本論文系統(tǒng)歸納了MXene/聚合物薄膜的制備、性質(zhì)及其實(shí)際應(yīng)用。如圖2所示,MXene與聚合物間一般通過共價鍵或非共價鍵(范德華力、氫鍵以及靜電作用等)相結(jié)合。圖3歸納了MXene/聚合物薄膜的常用制備手段,包括真空輔助抽濾(VAF)、溶液澆膜(DC)、熱壓成膜(HP)、層層自組裝、靜電紡絲以及電化學(xué)沉積等。由于MXene與聚合物間的協(xié)同作用,有效提高了MXene/聚合物薄膜的各項性能,包括機(jī)械性能、熱性能、電性能以及氣體阻隔等,使其廣泛應(yīng)用于過濾、電磁屏蔽、傳感器、超級電容器以及納米發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域(圖1)。最后,作者對MXene/聚合物薄膜發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了總結(jié):MXene/聚合物薄膜的發(fā)展已經(jīng)有6年之久,而目前所研究的MXene/聚合物薄膜大部分由研究相對成熟的Ti3C2材料為主,考慮到MXene材料的多樣性,可以探索其他元素MXene材料的引入,結(jié)合聚合物本身的多功能性,實(shí)現(xiàn)高性能MXene/聚合物薄膜的制備;為了實(shí)現(xiàn)MXene/聚合物薄膜的量化生產(chǎn),需要采用新穎的制備手段,例如在聚合過程中加入未經(jīng)插層剝離的MXene塊體,通過單體在層間聚合并撐開MXene片層,在實(shí)現(xiàn)MXene剝離的同時完成與聚合物的復(fù)合;通過建立模型,研究MXene與聚合物的相互作用機(jī)制,結(jié)合實(shí)驗結(jié)果揭示MXene/聚合物薄膜結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系,為構(gòu)建高性能MXene/聚合物薄膜提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)際意義。
圖2. MXene與聚合物間的共價鍵(a)和非共價鍵(b)作用。
圖3. MXene/聚合物薄膜的制備方法:真空輔助抽濾(a)、溶液澆膜(b)、熱壓成膜(c)、層層自組裝(d)、靜電紡絲(e)以及電化學(xué)沉積(f)。
該綜述論文近期發(fā)表在Chemistry of Materials上,深圳大學(xué)博士后高凌鋒博士為該綜述論文的第一作者,深圳大學(xué)特聘教授張晗為通訊作者,深圳大學(xué)為第一完成單位。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金資助、廣東省科技計劃項目、深圳市科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新基金等項目的支持。
全文鏈接:MXene/Polymer Membranes: Synthesis, Properties, and Emerging Applications
Lingfeng Gao, Chao Li, Weichun Huang, Shan Mei, Han Lin, Qi Ou, Ye Zhang, Jia Guo, Feng Zhang, Shixiang Xu, Han Zhang
Chem. Mater. 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04408
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b04408
張晗教授簡介
深圳大學(xué)特聘教授、深圳市黑磷工程實(shí)驗室主任、博士生導(dǎo)師。美國光學(xué)學(xué)會會士、基金委“優(yōu)青”、科睿唯安“高被引科學(xué)家(2018/2019)”、廣東省科技領(lǐng)軍人才等。長期從事低維材料光電器件相關(guān)研究,以通訊作者發(fā)表中科院一區(qū)論文超過100篇,包括Chemical Society Reviews, Coordination Chemistry Reviews, Physics Reports, PNAS, Science Advance, Nature Communications等,論文總被引超過26,000次,H-index指數(shù)85。張晗教授擔(dān)任多個SCI期刊專題主編/編委、中國激光青年編委會秘書長、全國光學(xué)青年學(xué)術(shù)論壇第二屆主席團(tuán)副主席?蒲谐晒@得教育部自然科學(xué)二等獎、中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎、中國光學(xué)十大進(jìn)展、廣東省丁穎科技獎、深圳市青年科技獎、深圳市自然科學(xué)獎等。
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