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山東大學劉久榮/曾志輝教授《ACS Nano》: 雙連續(xù)、高強度、多功能化學交聯(lián)MXene/超取向碳納米管復合薄膜
2022-10-20  來源：高分子科技

  隨著電子產(chǎn)品的升級和普及，電磁兼容和電磁防護問題引起廣泛關(guān)注，這對輕、薄、柔、強的電磁屏蔽材料提出了更高的要求。碳納米管和石墨烯等碳納米材料具有較高的力學強度、良好的導電性、低密度、較大的長徑比和良好的化學穩(wěn)定性。然而，復雜的表面改性以及碳納米管的團聚問題會導致許多結(jié)構(gòu)缺陷和較大的接觸電阻。取向碳納米管（A-CNT）薄膜的制備可以有效優(yōu)化碳納米管的導電性和力學性能，有望用于構(gòu)建高性能電磁屏蔽結(jié)構(gòu)。過渡金屬碳化物（Ti3C2 MXene）具有類金屬的導電性和豐富的表面親水官能團，但較差的力學性能使其難以構(gòu)建高性能電磁屏蔽材料。此外，在H2O/O2條件下，MXene較差的氧化穩(wěn)定性嚴重破壞了其耐久性和穩(wěn)定性，限制了其廣泛應(yīng)用。


  近日，山東大學劉久榮教授/曾志輝教授共同研發(fā)了一種高強度、超柔、輕質(zhì)、可穿戴的化學交聯(lián)過渡金屬碳化物 (Ti3C2 MXene)/超取向碳納米管 (C-MXene/SA-CNT) 復合薄膜。C-MXene/SA-CNT復合薄膜是通過化學氣相沉積(CVD)、浸漬法和化學交聯(lián)方法制備的，制備方法高效且可大規(guī)模生產(chǎn)。雙連續(xù)結(jié)構(gòu)薄膜具有優(yōu)異的導電性、力學性能以及耐久性，同時展現(xiàn)出疏水性、防水性以及在高性能電磁屏蔽、高效焦耳加熱和光熱抗菌等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。相關(guān)工作以“Bicontinuous, High-Strength, and Multifunctional Chemical-Crosslinked MXene/Super-Aligned Carbon Nanotube Film”為題發(fā)表在《ACS Nano》上。

【制備與表征】


  在化學氣相沉積方法制備了高強度、超薄、柔韌的超取向碳納米管（SA-CNT）薄膜(清華大學范守善教授團隊提供)，通過在MXene分散液中浸漬處理并結(jié)合化學交聯(lián)處理，制得雙連續(xù)C-MXene/SA-CNT復合薄膜。MXene和SA-CNT薄膜形成的氫鍵作用和后續(xù)的化學交聯(lián)處理形成的共價鍵作用，以及SA-CNT固有的優(yōu)異性能，使得C-MXene/SA-CNT具有超柔韌性和較高的力學強度。除了良好的界面相互作用外，MXene和SA-CNT之間形成的雙連續(xù)的微觀結(jié)構(gòu)，有效地降低了來自非均勻界面的接觸電阻。 


圖1 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的制備過程示意圖 



圖2 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的微觀結(jié)構(gòu)表征和宏觀性能展示


【力學與疏水、防水性能】


  SA-CNT基薄膜表現(xiàn)出拉伸強度和模量的各向異性。SA-CNT作為增強相，C-MXene/SA-CNT薄膜的力學強度和韌性顯著提高，尤其是在垂直于SA-CNT微觀取向的方向上，與SA-CNT薄膜相比，其拉伸強度增加了355%。在平行方向上，C-MXene/SA-CNT薄膜的拉伸強度高達337 MPa，楊氏模量為13.8 GPa。C-MXene/SA-CNT薄膜還具有良好的疏水性和在水中超聲處理時的防水性，進一步顯示了高強度C-MXene/SA-CNT薄膜的耐久性和穩(wěn)定性。 


圖3 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的力學性能和相關(guān)表征


【電磁屏蔽性能】


  碳納米管固有的高導電性和超取向結(jié)構(gòu)帶來的低接觸電阻使SA-CNT薄膜在平行和垂直方向的電導率分別達到34144 S/m和4970 S/m。16 μm厚的SA-CNT薄膜在平行（Pa-SE）和垂直（Pr-SE）于入射電磁波電場方向的電磁屏蔽效能（EMI SE）分別達到42 dB和22 dB，顯著優(yōu)于厚度為40 μm的抽濾制備MWCNT薄膜的13.5 dB。SA-CNT薄膜的各向異性微觀結(jié)構(gòu)導致了與方向有關(guān)的電磁屏蔽性能，這不利于實際應(yīng)用時屏蔽性能的均勻性和穩(wěn)定性。有趣的是，C-MXene/SA-CNT薄膜的電磁屏蔽性能的各向異性可以通過簡單和可規(guī)模化的浸漬方法控制MXene的含量來調(diào)節(jié)。MXene含量分別增加到18和45 wt%時，Pr-SE值增加到35和58 dB，Pa-SE值增加到46和60 dB。5 μm厚的SA-CNT制備的復合薄膜在MXene含量為63 wt%時的Pr-SSE和Pa-SSE分別達到122368 dB·cm2·g-1和128680 dB·cm2·g-1。此外，薄膜還表現(xiàn)出在高溫高濕環(huán)境、機械變形和超寬頻率范圍內(nèi)的優(yōu)異、穩(wěn)定的電磁屏蔽性能。


 

圖4 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的電磁屏蔽性能 


圖5 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的電磁屏蔽機理和性能對比


【電熱/光熱性能與應(yīng)用】


  C-MXene/SA-CNT薄膜具有的良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的導電性，使其可在0.6、1.2、1.8和2.4 V直流電壓作用下，在幾十秒內(nèi)表面溫度分別達到31、54、81和130 °C，表現(xiàn)出穩(wěn)定、可逆的電熱效應(yīng)。此外，復合薄膜更高的Hp值 (Hp = dT/dP) 以及熱成像圖表明其相比于商用的合金板加熱器，具有更為優(yōu)異的電熱性能和更為均勻的熱分布，在低電壓下具有顯著、穩(wěn)定，且可快速重現(xiàn)的電熱特性。低電壓下的高效除冰試驗進一步證明C-MXene/SA-CNT復合薄膜作為多功能加熱器件的巨大應(yīng)用潛力。SA-CNT的共軛效應(yīng)，MXene的局部表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)以及復合薄膜的多孔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共同賦予了C-MXene/SA-CNT薄膜優(yōu)異的光熱轉(zhuǎn)換性能。光功率密度為200 mW/cm2時，復合薄膜表面溫度可達到128 °C。C-MXene/SA-CNT薄膜展現(xiàn)出的快速、可逆、穩(wěn)定的光熱曲線，表明了其作為光熱器件良好的工作穩(wěn)定性和耐久性。復合薄膜表面溫度隨MXene含量的增加而線性增加,證明了MXene在復合薄膜光熱轉(zhuǎn)換性能中的重要作用。此外，還進一步展示證明了C-MXene/SA-CNT薄膜在可穿戴柔性電子以及光熱抗菌等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景。 


圖6 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的電熱/光熱轉(zhuǎn)換性能及除冰、抗菌應(yīng)用


【小結(jié)】


  總之，本文通過高效、可規(guī)；姆椒ㄖ苽淞吮、輕、柔、強的C-MXene/SA-CNT薄膜，合理的成分和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計使薄膜具有高導電性、優(yōu)異的力學強度、疏水性、防水性和氧化穩(wěn)定性。超取向SA-CNT、交聯(lián)MXene、雙連續(xù)多孔結(jié)構(gòu)以及SA-CNT與MXene之間豐富的界面賦予了復合薄膜優(yōu)異的電磁屏蔽性能，以及在機械變形、化學試劑和氧化條件下的屏蔽性能穩(wěn)定性和耐久性。此外，薄膜具有的優(yōu)異的電熱和光熱轉(zhuǎn)換性能，表明了其用于高效電熱除冰和光熱抗菌的巨大潛力。具有超高EMI屏蔽性能、優(yōu)異的電熱和光熱性能的輕質(zhì)、柔性C-MXene/SA-CNT薄膜在國防、航空航天和下一代柔性電子器件等領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。


  原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.2c08678


作者簡介

劉久榮

本文通訊作者

山東大學 教授


  主要研究領(lǐng)域：長期從事電磁仿真技術(shù)、電磁功能材料設(shè)計和研制、電磁性能測試分析等相關(guān)研究；包括：吸波和屏蔽材料、氣敏材料以及電化學儲能材料。


  簡介：劉久榮教授，山東大學“齊魯青年學者”特聘教授，博導。長期從事電磁仿真設(shè)計技術(shù)、吸波材料制備、性能調(diào)控及應(yīng)用研究，2011年入選教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃，2013年獲得山東省自然科學杰出青年基金。先后承擔國家國防重大工程專項、國防基礎(chǔ)科研計劃、國家自然科學基金等國家及省部科研項目40余項，研究成果在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Matter, Nano-Micro Letters等SCI期刊上發(fā)表論文150余篇，他引超過6000次，獲得授權(quán)發(fā)明專利40余項。擔任SCI期刊Adv. Composites Hybrid Mater.編輯。


  Email: jrliu@sdu.edu.cn


  個人主頁：www.cmpc.sdu.edu.cn/info/1017/1011.htm


曾志輝教授

本文通訊作者

山東大學 教授


  主要研究領(lǐng)域：納米復合材料、電磁屏蔽/吸收材料、柔性電子器件。


  簡介：山東大學曾志輝教授課題組在電磁屏蔽、微波吸收材料的設(shè)計、制備、構(gòu)筑及應(yīng)用領(lǐng)域的研究不斷取得新的進展。通過探索對不同導電納米材料及高分子聚合物的合成，原創(chuàng)性地開發(fā)了一系列輕質(zhì)、高效的電磁屏蔽材料及電磁波吸收材料。近年來，相關(guān)的研究工作發(fā)表SCI論文60余篇, 包括以第一作者或通訊作者發(fā)表在Adv. Mater.(3篇), ACS Nano （4篇）, Matter, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano-Micro Lett., Small, JMCA, Chem. Eng. J. Carbon, ACS AMI等著名國際前沿期刊，SCI論文引用3000余次，ESI高被引論文5篇，單篇最高引用500余次；受邀參加Elsevier出版社專著2章；申請、授權(quán)國際國內(nèi)發(fā)明專利20余項。擔任國際知名學術(shù)期刊Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Composite Part A, Sensors, Nanomaterials等審稿人或客座編輯, 中國復合材料學會高級會員, 中國化學會會員，《包裝工程》雜志首屆青年編委委員；多次受邀參加相關(guān)領(lǐng)域國際國內(nèi)學術(shù)會議的大會及主題報告。


  Email: zhihui.zeng@sdu.edu.cn 

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（責任編輯：xu）
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