时隔不到5个月,北航程群峰教授,再发Science封面论文!

2024-07-05
16:29:18
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程群峰,北京航空航天大学,教授,博士生导师,国家杰出青年科学基金获得者主要从事高分子纳米复合材料的研究工作,在二维碳纳米复合材料领域取得原创性研究成果,发现了降低二维碳纳米复合材料力学性能的孔隙缺陷问题,提出了降低孔隙率提高力学性能的有序界面化学交联和拉伸诱导取向策略,构筑了一系列轻质高强二维碳纳米复合材料,为二维碳纳米复合材料的应用奠定了理论基础。获国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、牛顿高级学者基金和北京市杰出青年科学基金等人才项目的资助,获北京市杰出青年中关村奖、茅以升科学技术奖-北京青年科技奖、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会青年化学奖,入选教育部青年长江学者。以通讯作者在Science(3篇), Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS等期刊发表论文100余篇,引用11700余次,H因子60,授权中国发明专利35余项。

2024年2月15日,北京航空航天大学程群峰教授课题组利用纳米限域水诱导的基面排列和共价及π-π小片间桥接,在室温下制造出了Ti3C2Tx MXene桥接石墨烯片,其各向同性面内拉伸强度为1.87千兆帕,模量为98.7千兆帕。面内室温电导率达到每厘米 1423 西门子,体积比容量达到每立方厘米 828 库仑。相关成果发表在《Science》上。

时隔不到5个月,程群峰教授课题组的研究成果再次发表在《Science》上,并入选期刊封面!下面,就让小编带大家拜读一下这篇最新研究论文吧!

通过与液态金属的连续桥接诱导超强 MXene 薄膜

碳化钛(Ti3C2Tx)MXene 纳米片具有优异的机械性能和导电性,在航空航天和电子设备领域应用广泛。然而,将其组装成宏观薄膜仍面临挑战。现有方法如真空过滤法、刮刀涂布法和空间限制蒸发法各有优劣。真空过滤法制得的薄膜取向度较低,抗拉强度仅为41兆帕;刀片涂层法制得的薄膜取向度为0.75,抗拉强度达到570兆帕;空间限制蒸发法将取向度提高到0.99,使薄膜抗拉强度达到707兆帕。通过桥接氢键、共价键和离子键等方法减少孔隙率,提高应力传递效率,薄膜抗拉强度可达739兆帕,但仍低于单层MXene的17.3 GPa。

在此,北京航空航天大学程群峰教授课题组利用液态金属(LM)和细菌纤维素(BC)依次桥接 MXene 纳米片(LBM 薄膜),展示了一种超强的 MXene 宏观薄膜,其拉伸强度达到 908.4 兆帕。使用重复循环刀片涂层的逐层方法将 LBM 薄膜的取向度提高到了 0.935,而具有良好变形能力的 LM 则将空隙转化为 5.4% 的孔隙率BC 的氢键和 LM 的配位键增强了界面相互作用,从而提高了应力传递效率。顺序桥接为将其他二维纳米片组装成高性能材料提供了一种途径。相关成果以“Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal”为题发表在《Science》上,第一作者为Wei LiTianzhu Zhou、Zejun ZhangLei Li为共同一作。

LBM 薄膜的制备

作者展示了一种超强宏观 MXene 薄膜(图1A),通过液态金属 (LM) 和细菌纤维素 (BC) 通过逐层方法依次桥接 MXene 纳米片,重复循环刀片涂层和热压循环的逐层方法制备(LBM 薄膜)。MXene 纳米片通过选择性蚀刻 MAX 相中的 Al 原子合成,X 射线衍射显示成功剥离。BC 与 MXene 纳米片通过氢键形成 BC-MXene (BM) 结构单元,并组装成 BM 薄膜,拉伸强度达 533.0 MPa。此外,采用共晶镓铟合金 (EGaIn) 制备的 LM@PDA(LP)纳米粒子,在刀片涂布和热压过程中填充 BM 薄膜的空隙,提高了薄膜的密度和导电性。LBM 薄膜的孔隙率仅为 5.4%,取向度达 0.935(图 1F、1G),拉伸强度高达 908.4 兆帕,远超之前报道的 MXene 薄膜(图 1H)

图 1 LBM 薄膜的制作示意图和表征

LBM 薄膜中的界面相互作用

MXene、BM、LPM 和 LBM 薄膜的 XRD 结果显示,随着 BC 和 LP 含量增加,BM 和 LPM 薄膜的 d 间距分别增至 1.47 和 1.26 nm。与 MXene、BM 和 LPM 薄膜相比,LBM 薄膜在 (002) 峰处显示最小衍射角,表明 BC 和 LP 成功引入。热压后,LBM 薄膜的 d 间距减小至 1.44 nm,显示其层结构更致密。XPS 确认了氢键和配位键的形成,BM 薄膜在 531.4 eV 处出现新 C-OH 峰,验证了 MXene 和 BC 之间的氢键形成。XAS 进一步证实了 LBM 薄膜中的配位键,显示其能量吸收阈值高于 Ga2O3 参考物,并在 ~1.42 Å 处有明确的 O→Ga3+ 配位信号(图 2A 、B)。小波变换等高线图也证实了这一点(图 2C 、D)。VT-FTIR 结果表明,随着温度升高,MXene 和 BC 之间的氢键振动波数从 3344.3 cm⁻¹ 变为 3349.7 cm⁻¹(图 2E),而 C-O→Ga3+ 和 Ti-O→Ga3+ 配位键在加热过程中保持稳定(图 2F、2G 和 2H)。密度泛函理论(DFT)计算显示,界面相互作用强度顺序为:MXene-MXene(弱氢键)< MXene-BC(氢键)< BC-LM(弱配位键)< MXene-LM(强配位键),与电荷密度差异和电子定位功能(ELF)结果一致(图 2I-L)。这些结果与 VT-FTIR 一致,证明 LM 诱导的配位键具有很强的桥接作用。

图 2.LBM 薄膜的界面相互作用表征

LBM薄膜的机械性能

MXene、BM、LPM 和 LBM 薄膜的典型应力-应变曲线如图 3A 所示。经过双重优化,最佳 LBM 薄膜的拉伸强度达到 908.4 MPa,BC 和 LP 含量分别为 49.4 和 9.7 wt%。LBM 薄膜显示出分层结构,镓元素能谱显示 LM 均匀嵌入其中。MXene 薄膜断裂形态显示松散结构和平坦断裂边缘,而 BM 薄膜显示出紧密堆积的片状形态和 "之" 字形裂纹。LBM 薄膜的断裂边缘呈锯齿状卷曲,表明应力传递效率高(图 3B)。拟议的 LBM 薄膜断裂机制如图 3C 所示,通过 Bader 电荷法计算的 DFT Q 值显示,MXene-MXene 之间的低 Q 值导致初始滑动,随着拉伸载荷增加,MXene-BC 氢键和 BC-LM 及 MXene-LM 配位键逐渐断裂,提供了高应力传递效率和能量耗散(图 3D)。有限元分析模型模拟结果与实验结果一致,进一步验证了断裂机制(图 3E)。

图3.LBM薄膜的力学性能和断裂机制

LBM薄膜的电磁干扰屏蔽性能

与6512 S·cm-1的MXene薄膜相比,BM薄膜电导率随着BC含量增加急剧下降,BC含量为93.5 wt%时,BM-IV薄膜导电率仅为0.0003 S·cm-1。相反,随着LP含量增加,LPM薄膜电导率先增后减,LP含量为6.2 wt%时,导电率达到最大8475 S·cm-1。LBM薄膜电导率为1875 S·cm-1,低于MXene和LPM薄膜,但高于BM薄膜,且显示出卓越的抗氧化能力,在100%相对湿度下10天内保持80.3%的导电率。LBM薄膜在8.2 GHz频率下的EMI SE达到26.0 dB,高于BM薄膜(21.9 dB),但低于MXene薄膜(33.4 dB)和LPM薄膜(39.9 dB)(图4A)。厚度从1.1 μm到15.2 μm的LBM薄膜的EMI SE值从26.0 dB到58.2 dB不等(图4B)。EMI屏蔽性能主要源于反射而非吸收(图4C)。图4D显示了LBM薄膜的EMI SE机制,电磁波在薄膜内部经历多次反射后被完全吸收。LBM薄膜的EMI SE t-1达到23,600 dB mm-1,超过已报道的MXene材料和商用材料,其强度也远高于已报道的MXene材料(图4E)。

图4.EMI屏蔽效能表现

小结

作者利用 LM 和 BC 依次桥接 MXene 纳米片,制备出了超强宏观 LBM 薄膜。LM 纳米粒子有效地减少了 LBM 薄膜的空隙。通过 BC 的氢键和 LM 的配位键,MXene 纳米片之间的界面相互作用大大增强。这些结果进一步提高了 LBM 薄膜中 MXene 纳米片的应力传递效率。此外,LBM 薄膜还具有很高的电磁屏蔽效率。作者提出的使用 LM 和 BC 的制造策略减少了空隙并提高了应力传递效率,这可能会使其他二维纳米片组装成高性能材料


来源:高分子科学前沿
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