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  近年來(lái)，二維過(guò)渡金屬碳化物（MXene）因其諸多優(yōu)異的性能，已在能源存儲(chǔ)、生物醫(yī)用、導(dǎo)電、電磁屏蔽、結(jié)構(gòu)材料、高分子復(fù)合材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力，受到廣泛關(guān)注。近期，鄭州大學(xué)王建峰副教授和王萬(wàn)杰教授團(tuán)隊(duì)在兼顧MXene優(yōu)異導(dǎo)電和電磁屏蔽性能的同時(shí)，研究了MXene在導(dǎo)熱/隔熱/耐熱、阻燃防火、電/光熱轉(zhuǎn)換等方面的應(yīng)用，基于MXene構(gòu)筑了一系列多功能集成的柔性熱管理復(fù)合材料，相關(guān)工作發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A, Chemical Engineering Journal、ACS Applied Materials Interfaces, Composites Part A等國(guó)際著名期刊。

（1）MXene填充構(gòu)筑聚合物基阻燃抗融滴復(fù)合材料

  該文通過(guò)共混、浸漬填充、表面涂覆等方法制備了一系列聚合物/MXene復(fù)合材料，率先報(bào)道了MXene的加入能夠顯著提高易燃聚合物的阻燃和抗融滴性能。其機(jī)理是：MXene在燃燒過(guò)程（600~700 °C，有氧）會(huì)氧化生成TiO₂以及C，在聚合物基體表面形成C/TiO₂保護(hù)層，進(jìn)而阻止聚合物的燃燒以及融滴的形成，提高易燃聚合物的阻燃抗融滴性能。該研究以題目“New application of MXene in polymer composites toward remarkable antidripping performance for flame retardancy”發(fā)表在Composites Part A 上（2019, 127, 105649）。

圖1. 聚合物/MXene阻燃抗融滴復(fù)合材料。

（2）阻燃、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的聚乙烯醇/MXene交替多層復(fù)合薄膜

  該文通過(guò)交替流延法制備了具有交替多層結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇/MXene復(fù)合薄膜，在MXene總含量為19.5 wt%時(shí)，27 μm厚的PVA/MXene多層膜的電導(dǎo)率達(dá)到716 S/m，電磁屏蔽效能達(dá)到44.4 dB。與此同時(shí)，復(fù)合薄膜的熱導(dǎo)率達(dá)到4.57 W/mK，比純PVA基體提高了23倍，且交替層狀結(jié)構(gòu)存在的MXene，賦予了PVA基體優(yōu)異的阻燃抗融滴性能。研究結(jié)果為構(gòu)筑兼具高導(dǎo)電和高導(dǎo)熱性能的聚合物基復(fù)合材料提供了新的思路，同時(shí)也為基于MXene構(gòu)筑導(dǎo)熱/散熱材料提供了理論與實(shí)踐指導(dǎo)。該研究以題目“Flame-retardant poly(vinyl alcohol)/MXene multilayered films with outstanding electromagnetic interference shielding and thermal conductive performances”發(fā)表在Chemical Engineering Journal上（2020, 380, 122475，ESI高被引論文）。

圖2. 阻燃、高導(dǎo)電、高導(dǎo)熱的聚乙烯醇/MXene交替多層復(fù)合電磁屏蔽薄膜。

（3）防火、電磁屏蔽、各向異性高導(dǎo)熱的MXene/MMT復(fù)合薄膜

  該文采用真空輔助抽濾法制備了一種防火、電磁屏蔽、各向異性高導(dǎo)熱的MXene/MMT復(fù)合薄膜。少量MMT納米片的引入不僅能夠誘導(dǎo)MXene高度有序致密排列，同時(shí)還能顯著提高M(jìn)Xene的耐熱和抗氧化能力。當(dāng)MXene與MMT質(zhì)量比為9:1時(shí)，復(fù)合薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率達(dá)到28.8 W/mK，比純MXene薄膜的面內(nèi)熱導(dǎo)率（15.3 W/mK）提高了88%，而復(fù)合薄膜面外熱導(dǎo)率（0.27 W/mK）比純MXene薄膜降低了16%，賦予復(fù)合薄膜高的各向異性指數(shù)（107）。而且，該復(fù)合薄膜保持了高電導(dǎo)率（4420 S/m）、呈現(xiàn)出以吸收為主的電磁屏蔽性能，其在X波段的電磁屏蔽效能達(dá)到67 dB。該復(fù)合薄膜同時(shí)展現(xiàn)出的高電磁屏蔽和高導(dǎo)熱性能，遠(yuǎn)高于絕大部分已報(bào)道的導(dǎo)熱型電磁屏蔽材料。同時(shí)，該復(fù)合薄膜還具有良好的耐熱和防火性能，在酒精燈上燃燒2分鐘后形狀沒(méi)有變化，燃燒2分鐘后依然可以作為導(dǎo)線使與其連接的LED燈保持點(diǎn)亮狀態(tài)。此外，該復(fù)合薄膜還具有優(yōu)異的電熱轉(zhuǎn)換性能，施加4.5V的直流電壓，復(fù)合薄膜的表面溫度可快速升至112°C，且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間和多次循環(huán)后依然保持良好的電熱轉(zhuǎn)換性能。制得的MXene/MMT復(fù)合薄膜在散熱、隔熱、防火、電磁屏蔽、電熱除冰、柔性可穿戴加熱器等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。該研究近日以題目“Multifunctional MXene-Based Fireproof Electromagnetic Shielding Films with Exceptional Anisotropic Heat Dissipation Capability and Joule Heating Performance”發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces上（2020 doi.org/10.1021/acsami.0c05692）。

圖3. 多功能MXene/MMT復(fù)合薄膜。

圖4. MXene/MMT復(fù)合薄膜的形貌、導(dǎo)電、電磁屏蔽及各向異性導(dǎo)熱性能。

圖5. MXene/MMT復(fù)合薄膜的耐熱、耐火及隔熱性能。

圖6. MXene/MMT復(fù)合薄膜的電熱轉(zhuǎn)換及電熱除冰性能。

（4）多功能集成的電熱/光熱雙驅(qū)動(dòng)聚合物/MXene復(fù)合織物加熱器

  近年來(lái)，可穿戴加熱器在保溫、熱療、除冰、傳感等領(lǐng)域顯示出巨大應(yīng)用潛力。質(zhì)輕、舒適和透氣的織物基可穿戴加熱器成為當(dāng)下研究重點(diǎn)與熱點(diǎn)，為滿足更高要求的可穿戴性提供了可能。盡管織物基可穿戴加熱器取得了可喜的進(jìn)展，但依然存在驅(qū)動(dòng)能源單一、熱響應(yīng)慢、加熱溫度范圍窄等問(wèn)題。此外，在實(shí)際使用過(guò)程中，可穿戴加熱器使用者面臨著電磁輻射污染、細(xì)菌交叉感染及熱失效引起的火災(zāi)等潛在威脅。

  近日，鄭州大學(xué)王建峰副教授與王萬(wàn)杰教授團(tuán)隊(duì)采用溶液浸漬法，成功制備了兼具阻燃、抗菌、電磁屏蔽功能的電/光雙驅(qū)動(dòng)聚合物/MXene（M-textile）復(fù)合織物加熱器。MXene納米片在氫鍵作用和物理插入的雙重作用下緊密的包覆在聚合物纖維表面，并保持了原始織物良好的透氣性和舒適性。在MXene含量為17.3 wt%時(shí)，M-textile織物的電導(dǎo)率達(dá)到117 S/m，在1~3.5 V的低驅(qū)動(dòng)電壓下可實(shí)現(xiàn)40~174 °C的寬加熱范圍，且具有優(yōu)異的耐久性、耐用性和加熱穩(wěn)定性，在長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)、大形變及水洗后，依然保持良好的電熱性能。而且，M-textile織物在不同波長(zhǎng)（近紅外光、遠(yuǎn)紅外光、自然光）光源照射下呈現(xiàn)出快速、靈敏的光熱轉(zhuǎn)換效果，其加熱溫度范圍可達(dá)40~204 °C，并在水洗、大變形、長(zhǎng)時(shí)間加熱后依然保持良好的光熱轉(zhuǎn)換效果。與此同時(shí)，M-textile基可穿戴加熱器還具有優(yōu)異的電磁屏蔽（42.1 dB，X波段）、阻燃和抗菌性能。該文為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜條件下快速、安全、靈敏的熱量轉(zhuǎn)換提供了可行性和新的思路，制得的M-textile加熱器在保溫、熱療、除冰、防火和抗菌等方面具有巨大應(yīng)用價(jià)值。該研究近日以題目“Air-permeable, multifunctional, dual-energy-driven MXene-decorated polymeric textile-based wearable heater with exceptional electrothermal and photothermal conversion performance”發(fā)表在Journal of Materials Chemistry A上（2020, doi.org/10.1039/D0TA03048A）。

圖7. 多功能集成的電熱/光熱雙驅(qū)動(dòng)聚合物/MXene復(fù)合織物加熱器。

圖8. M-textile基可穿戴加熱器制備流程及其形貌、水洗、透氣性。

圖9. M-textile基可穿戴加熱器的電熱轉(zhuǎn)換及電熱除冰性能。

圖10. M-textile基可穿戴加熱器在近紅外光（a）、遠(yuǎn)紅外光（b）和太陽(yáng)光（c-f）照射下的光熱轉(zhuǎn)換性能。

圖11. M-textile基可穿戴加熱器電磁屏蔽性能（a-e）和抗菌性能（f-g）測(cè)試。

  以上論文第一作者分別為2018級(jí)碩士研究生李雷和劉曉雅，通訊作者為鄭州大學(xué)王建峰副教授和王萬(wàn)杰教授。研究得到中國(guó)博士后科學(xué)基金、河南省重點(diǎn)研發(fā)與推廣專項(xiàng)、高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金、鄭州大學(xué)人才引進(jìn)啟動(dòng)基金等項(xiàng)目資助，同時(shí)感謝四川大學(xué)郭少云教授與吳宏教授、浙江大學(xué)柏浩教授、西南大學(xué)王明教授及美國(guó)康涅狄格大學(xué)孫陸逸教授對(duì)上述研究工作的支持。

  原文鏈接：
  https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359835X19303987

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894719318789

  https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c05692

  https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2020/TA/D0TA03048A#!divAbstract