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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構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，有望用于構建高性能電磁屏蔽結構。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、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)結構薄膜具有優(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域的巨大應用前景。相關工作以“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)的微觀結構，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復合薄膜的微觀結構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表征

【電磁屏蔽性能】

碳納米管固有的高導電性和超取向結構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構導致了與方向有關的電磁屏蔽性能，這不利于實際應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。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用潛力。SA-CNT的共軛效應，MXene的局部表面等離子體共振（LSPR）效應以及復合薄膜的多孔的內(nèi)部結構共同賦予了C-MXene/SA-CNT薄膜優(yōu)異的光熱轉換性能。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域的巨大應用前景。

圖6 C-MXene/SA-CNT復合薄膜的電熱/光熱轉換性能及除冰、抗菌應用

【小結】

總之，本文通過高效、可規(guī)模化的方法制備了薄、輕、柔、強的C-MXene/SA-CNT薄膜，合理的成分和微觀結構設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)多孔結構以及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、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域中展現(xiàn)出廣闊的應用前景。

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

主要研究領域：長期從事電磁仿真技術、電磁功能材料設計和研制、電磁性能測試分析等相關研究；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計技術、吸波材料制備、性能調控及應用研究，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、微波吸收材料的設計、制備、構筑及應用領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、高效的電磁屏蔽材料及電磁波吸收材料。近年來，相關的研究工作發(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、授權國際國內(nèi)發(fā)明專利20余項。擔任國際知名學術期刊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；多次受邀參加相關領域國際國內(nèi)學術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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