南开大学梁嘉杰团队 ACS Nano: 基于等离子体Ti3C2Tx MXene的具有高光热转换效率的可修复透明可穿戴器件

【引言】

太阳能是取之不及、用之不竭的理想能源。目前人类正在致力于发展光电、光催化、光热转换等先进的绿色技术，以捕获并将这种可再生能源转化为可持续能源。其中，太阳能光-热转换技术，由于其操作相对简单且能量转换效率较高而越来越受到人们的关注。同样的，在可穿戴透明器件领域中，随着众多先进绿色技术的发展，将弹性和高光学透明度结合的透明可穿戴器件为实现下一代电子产品的很多新兴应用提供了新的机会。但是，与其他传统的可穿戴电子器件一样，存在一个普遍的问题是：透明可穿戴器件在经历意外破裂或划伤后容易发生故障，进而大大降低了设备的寿命和安全性。因此，开发具有可修复功能的透明可穿戴材料，使其在经受机械损伤后，能够实现快速且无创的修复，进而恢复其原始功能显得尤为重要。

【成果简介】

近日，南开大学的梁嘉杰教授（通讯作者）课题组报道了一种等离子体银纳米粒子(AgNP)@MXene杂化物作为光热填料与水性聚氨酯弹性体相复合，在超低添加量情况下，得到一种具有快速、高效的光引发自修复能力，且同时保持高透明度的可穿戴复合涂层。杂化后的AgNP@MXene由于结合了AgNPs优异的等离子体共振效应，MXene自身很高的光热效应、高导热性能、特殊的二维结构，以及二者之间的协同作用，从而具有非常高的光热转换效果，可以作为高效的光子捕获体、能量转换体和分子加热体。当AgNP@MXene在很低添加量（0.08 wt% 或0.024 vol%）时，经600 mW cm^-2 vis-IR光辐照5 min后即可使得所制备的透明可穿戴复合涂层表面温度显著升高（升高温度约111±2.6 ℃）；同时在60 μm的厚度下，涂层保持着83%的高透光率。复合涂层表面温度的快速升高可以迅速修复涂层的机械损伤，其愈合效率可以达到97%。研究成果以题为“Plasmonic Ti₃C₂T_x MXene Enables Highly Efficient Photothermal Conversion for Healable and Transparent Wearable Device”发表在国际著名期刊ACS Nano上，博士研究生范向前与硕士研究生丁燕为共同第一作者。

【图文解读】

图一、AgNP@MXene杂化物的结构表征图
（a）AgNP@MXene杂化物的低分辨TEM图；

（b）AgNP@MXene杂化物的高分辨TEM图；

（c）AgNP@MXene杂化物的Ti、C、O和Ag的EDS元素分布图；

（d）纯MXene纳米片和AgNP@MXen杂化物的XRD谱图；

（e）纯MXene纳米片和AgNP@MXene杂化物的FT-IR谱图；

（f）纯MXene纳米片和AgNP@MXene杂化物的XPS谱图；

（g）AgNP@MXene杂化物的高分辨Ag 3d XPS谱图；

（h）纯MXene和AgNP@MXene杂化物水溶液的UV-vis 谱图。

图二、AgNP@Mxene-PU复合涂层的光学性能和光热性能表征图
（a）AgNP@MXene添加量为0.05 wt％时，不同厚度AgNP@MXene-PU复合涂层的光学透光率谱图；

（b）AgNP@MXene添加量为0.08 wt％时，不同厚度AgNP@MXene-PU复合涂层的光学透光率谱图；

（c）AgNP@MXene添加量为0.16 wt％时，不同厚度AgNP@MXene-PU复合涂层的光学透光率谱图；

（d）在600 mW cm^-2的vis-IR光照射下，不同 MXene和AgNP@MXene添加量的MXene-PU和AgNP@MXene-PU复合涂层（厚度100 μm）的表面温度随时间的变化图；

（e）MXene和AgNP@MXene添加量为0.08 wt%时，MXene-PU和AgNP@MXene-PU复合涂层（厚度100 μm）辐照5 min后的温度增加（ΔT）与辐照功率密度的关系图；

（f）不同AgNP@Mxene添加量的AgNP@Mxene-PU复合涂层（厚度100 μm），在600 mW cm^-2 vis-IR光辐照下的表面温度随时间变化的红外热成像图。

图三、AgNP@Mxene-PU复合涂层在光辐照下的光热效应示意图

图四、AgNP@Mxene-PU复合涂层在光照射下的愈合过程图
（a）纯PU在600 mW cm^-2 vis-IR光辐照下随时间变化的愈合过程图；

（b）AgNP@MXene添加量为0.05 wt％时，AgNP@MXene-PU复合涂层在600 mW cm^-2 vis-IR光辐照下随时间变化的愈合过程图；

（c）AgNP@MXene添加量为0.08 wt％时，AgNP@MXene-PU复合涂层在600 mW cm^-2 vis-IR光辐照下随时间变化的愈合过程图；

（d）AgNP@MXene添加量为0.16 wt％时，AgNP@MXene-PU复合涂层在600 mW cm^-2 vis-IR光辐照下随时间变化的愈合过程图；右图为AgNP@MXene-PU复合涂层随时间变化的愈合过程的三维形貌图。

图五、AgNP@Mxene-PU复合涂层在愈合过程中的应力-应变曲线图
（a）AgNP@MXene添加量为0.08 wt％时，AgNP@MXene-PU复合涂层在愈合过程中应力-应变曲线；

（b）AgNP@MXene添加量为0.16 wt％时，,AgNP@MXene-PU复合涂层在愈合过程中的应力-应变曲线。

图六、透明、皮肤-可贴附的加热涂层演示图
（a）AgNP@MXene添加量为0.08 wt％时，100 μm厚度的AgNP@Mxene-PU复合涂层贴附于手部的光学照片图；

（b, c）在太阳光辐照前和辐照1 min后，贴附复合涂层的手部红外热成像图。

【小结】

综上所述，作者提出了一种基于光热转化的绿色技术来构建可修复的、透明的可穿戴复合涂层的策略。制备的AgNP@MXene杂化物结合了AgNPs优异的等离子体效应和MXene自身很高的光热效应、高导热性能、特殊结构性能以及它们二者之间的协同作用，因此具有非常高的光热转换效应，可以作为高效的光子捕获体、能量转换体和分子加热体。利用其所制备的可穿戴AgNP@MXene-PU复合涂层在AgNP@MXene杂化物添加量超低（0.08 wt%）的情况下，经600 mW cm^-2 vis-IR 光辐照后，表面温度显著升高，使得AgNP@MXene-PU复合涂层具有快速且有效的光引发修复功能，同时保持着高透明度。此外，AgNP@MXene-PU复合涂层被直接用作一种透明的可贴附的加热材料，证明其在透明可穿戴器件中的适用性。这一简单策略可以构建具有高效光热转换和远程光引发愈合功能的透明可穿戴材料，使得人们向生产安全、长寿命的透明可穿戴器件迈出的重要一步。

文献链接：Plasmonic Ti3C2Tx MXene Enables Highly Efficient Photothermal Conversion for Healable and Transparent Wearable Device (ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b03161)

通讯作者简介

梁嘉杰，教授，博士研究生导师，第十二批“国家青年千人”。2011年博士毕业于南开大学高分子研究所（导师：陈永胜教授），随后加入美国加州大学洛杉矶分校裴启兵教授课题组从事博士后以及助理研发工程师的研究工作。2016年加入南开大学材料科学与工程学院并成立柔性印刷功能器件实验室。主要研究方向：高性能复合材料及在印刷及可穿戴功能器件的构建和集成中的应用研究。研究领域涵盖高分子化学与物理，材料科学与工程，化学、电子工程学，以及物理学等众多交叉学科。本课题组立足于“产学研”结合，从新功能复合材料的设计合成出发，利用绿色先进打印、印刷集成技术，针对应用需求构建功能性器件。近年来，以第一及通讯作者身份发表论文30多篇，其中包括Nat. Photon., Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等国际著名期刊杂志，其中 6 篇入选 ESI Top 1%高被引论文，论文总引用次数6000多次。

近三年代表作：

1. Xiangqian Fan, Yan Ding, Yang Liu, Jiajie Liang*, and Yongsheng Chen, “Plasmonic Ti₃C₂T_x MXene Enables Highly Efficient Photothermal Conversion for Healable and Transparent Wearable Device”, ACS Nano, 2019, DOI: 10.1021/acsnano.9b03161

2. Hongpeng Li, and Jiajie Liang*, "Recent Development of Printed Micro-Supercapacitors: Printable Materials, Printing Technologies, and Perspectives", Adv. Mater. 2019, 1805864, DOI: 10.1002/adma.201805864 (invited review）

3. Hongpeng Li, Xiran Li, Jiajie Liang*, and Yongsheng Chen, "Hydrous RuO2 decorated MXene Coordinating with Silver Nanowire Inks Enabling Fully-Printed Micro-Supercapacitors with Extraordinary Volumetric Performance", Adv. Energy. Mater. 2019, 9, 1803987.

4. Xinlei Shi, Huike Wang, Xueting Xie, Qingwen Xue, Jingyu Zhang, Siqi Kang, Conghui Wang, Jiajie Liang*, Yongheng Chen, “Bioinspired Ultrasensitive and Stretchable MXene-based Strain Sensor via Nacre-Mimetic Microscale “Brick-and-Mortar” Architecture”, ACS Nano 2019, 13, 649.

5. Pan Xue, Shuiren Liu, Xinlei Shi, Chuang Sun, Chao Lai*, Ying Zhou, Dong Sui, Yongsheng Chen*, Jiajie Liang*, “A Hierarchical Silver Nanowire-Graphene Host Enabling Ultrahigh Rates and Superior Long-Term Cycling of Lithium Metal Composite Anodes” Adv. Mater. 2018, 30, 1804165.

6. Huike Wang, Honghao Tang, Jiajie Liang*, Yongsheng Chen, “Dynamic Agitation-Induced Centrifugal Purification of Nanowires Enabling Transparent Electrodes with 99.2% Transmittance” Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1804479.

7. Xinlei Shi, Shuiren Liu, Yang Sun, Jiajie Liang*, Yongsheng Chen, “Lowering Internal Friction of 0D–1D–2D Ternary Nanocomposite-Based Strain Sensor by Fullerene to Boost the Sensing Performance” Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1800850.

8. Liang, J.J., Tong, K., Pei, Q. B.* “A Water-Based Silver-Nanowire Screen-Print Ink for the Fabrication of Stretchable Conductors and Wearable Thin Film Transistors” Adv. Mater. 2016, 28, 5986.

9. Liang, J. J., Li, L., Chen, D., Hajagos, T., Ren, Z., Chou, S-Y., Hu, W., Pei, Q. B.* “Intrinsically Stretchable and Transparent Thin Film Transistors Based on Printable Silver Nanowires, Carbon Nanotube and Elastomeric Dielectric” Nat. Commun. 2015, 6, 7647.

本文由CQR编译。

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