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ACS Nano:通过MXene凝胶制备的高导电性和高强度MXene纤维-奇材进展

已有 525 次阅读 2021-4-12 14:00 |个人分类:奇材进展|系统分类:论文交流

 

韩国汉阳大学团队工作,奇材馆整理

【文章概述】

Ti3C2Tx MXenes由过渡金属氮化物和碳化物组成,由于其优异的电导率、热导率、机械和化学特性以及广泛的潜在应用(包括超级电容器、传感器和超导体),是目前学术界研究较为广泛的2D材料之一。通过将二维MXene纳米片自组装制备宏观的膜或者纤维,可以将MXene的纳米级优势扩展到宏观尺度上。原则上,MXene纳米片是通过分子间相互作用(包括氢键、静电相互作用和范德华力等)组装而成。实际上,其自组装需要克服以下挑战:单个纳米片不可避免地具有结构缺陷;纳米片间相互作用容易因机械干扰而破裂和无序排列问题。

【成果简介】

近日,韩国汉阳大学有机与纳米工程系Tae Hee Han老师研究团队在这项研究中描述了MXene纳米片如何形成自组装的MXene水凝胶。其中,通过改善纳米片之间的静电相互作用,可以增强MXene凝胶的三维网络结构。稳定的凝胶网络有利于制造高度有序排列的纤维,这是由于MXene凝胶可承受一定的结构变形。在凝结浴中对高度浓缩的MXene胶体进行湿纺时,可以在机械拉伸力的作用下将MXene片材转变为完美排列的纤维。与其他纤维相比,定向有序排列的MXene纤维电导率(12504 S/cm)和杨氏模量(122 GPa)增长1.5倍。基于以上这些优势,这种有序取向的MXene纤维有望实现广泛的应用,包括电线和信号传输。该材料符合奇材馆理念,后续开发值得期待!

【图文导读】

MXene稳定地分散在去离子水(DIW)中,然后使用Langmuir-Blodgett技术进行形态分析,从而将其涂覆在SiO2基底上,如图1ab所示。蚀刻MAX相的Al层后,所获得的MXene的末端表面含有氧和氟,如能量色散X射线光谱(EDX)所示(图1c)。NH4+离子与MXene片相互作用,并且MXene分散体通过静电相互作用形成水凝胶(图1d)。MXene凝胶表现出稳定的独立结构(图1e)。

 

                                              1.jpg

1.合成的MXene片和MXene的凝胶化。

a)使用Langmuir-Blodgett技术涂覆在SiO2晶片上的MXene单片的SEM和(bAFM图像。

cMXene单层的TEM图像和EDX元素映射。

d)小瓶中25 mg mL-1分散液和MXene凝胶化的光学图像,以及在凝胶化过程中MXene纳米片之间的静电相互作用的示意图。

e)独立的MXene凝胶的光学图像。

 

2.jpg

2.a25 mg mL-1 MXene分散液和MG 59的光学图像。每种MXene凝胶在pH 59的溶液中凝结。

bMG 9的光学图像和MG 9的内部结构的SEM图像。

c)挤压的MG 9的光学图像和挤压的MG 9的内部结构的SEM图像。

 

3.jpg

3. MXene分散体和凝胶的流变特性表征。

 

4.jpg

4. MXene纤维的形态和结构参数。

 

5.jpg

5.a)拉伸强度-应变曲线和(bMF-1MF-2MF-3的电导率。

c)比较我们的MF的极限强度与先前报道的MXene和复合纤维的极限强度。

d)在Ashby图上绘制的MFMXene,石墨烯及其复合材料的电导率的杨氏模量。

 

【奇材馆点评】

该工作制备了坚固且可变形MXene凝胶,并展开研究了MXene片分子相互作用以及具有高电导率和机械强度的MXene纤维的组装。MXene凝胶中形成了牢固的网状结构,使得MXene凝胶纤维可以在湿纺过程中在施加剪切力的情况下进行机械拉伸,从而产生高度对齐且致密的多尺度结构。考虑到这些优异的性能,这种有序取向的MXene纤维具有广阔的应用前景,包括用于控制LED的电线和键盘的信号传输。此外,它们可用于制造高性能多尺度结构,从而将MXene纳米尺度潜力拓展到宏观尺度上。

 

【论文信息】

 

Highly   Electroconductive and Mechanically Strong Ti3C2Tx MXene Fibers Using a   Deformable MXene Gel

ACS   Nano (IF=14.588)

Pub   Date : 2021-01-26

DOI:   10.1021/acsnano.0c10255

Hwansoo   Shin, Wonsik Eom, Ki Hyun Lee, Woojae Jeong, Dong Jun Kang, Tae Hee Han*

Department   of Organic and Nano Engineering, Hanyang University, Seoul, 04763, Republic   of Korea

 




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