新年力作，北京航空航天大学最新Science！

赛恩斯 9个月前 (02-16) 3822浏览

1.【导读】

石墨烯和二维过渡金属碳化物和/或氮化物（MXenes）等二维材料由于其电学和机械性能，是制造柔性储能器件的重要材料。排列、层间相互作用和致密性是影响二维（2D）纳米材料力学性能的三个重要因素。有序组装、层间交联和孔隙填充等策略已被用于改善2D纳米材料的力学性能。然而，通过湿化学方法组装的2D纳米材料在干燥过程中不可避免地会发生毛细管收缩。毛细管收缩伴随着强烈的结构收缩，这会导致纳米片褶皱并降低机械性能。超临界干燥和冷冻干燥可以防止毛细管收缩，但会导致薄片密度增加，从而提供非优化的机械性能。此外，增加接触角或更换溶剂已被证明可有效减少2D纳米材料中的固有褶皱，已经制备了许多自支撑2D纳米材料的薄片，但同时实现高对准性和致密性仍然不可行。如何在室温是地，将这些材料的纳米片组装成面内各向同性、自支撑的片层，仍然是主要挑战。

2.【成果掠影】

基于以上难题，北京航空航天大学程群峰教授联合得克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman院士，利用纳米受限水诱导的基平面排列以及共价和π-π桥接，在室温下制备了Ti3C2Tx MXene桥接石墨烯片，各向同性面内拉伸强度为1.87 GPa，模量为98.7 GPa。面内室温电导率达到1423 S cm-1，体积比容量达到828 C cm-3。这种纳米受限水诱导的排列可能为制造2D纳米片的其他排列宏观组装提供了一种重要方法。相关研究成果以“Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage”为题发表知名期刊Science上。

3.【核心创新点】

  • 利用纳米限域水诱导的基平面取向以及共价和π-π片间桥连，在室温时，制备了碳化钛MXene桥连的石墨烯片。
  • 制备的石墨烯片各向同性面内拉伸强度为87 GPa，模量为98.7 GPa；面内室温电导率达到1423 S cm-1，体积比容量达到828 C cm-3。

4.【数据概览】

图1. 用纳米受限水获得的MXene和GO纳米片的制备和结构示意图 © 2024 AAAS

图2. GO、MXene和MXene桥接氧化石墨烯（MGO）片的结构表征 © 2024 AAAS

图3. 平面内各向同性MXene桥接石墨烯（πBMG）片的制造和结构示意图 © 2024 AAAS

图4. rGO片和面内各向同性MXene桥接石墨烯（πBMG）片的性能 © 2024 AAAS

图5. 毛细管干燥的π-π桥接MXene桥接石墨烯（CπBMG）和面内各向同性MXene桥接的石墨烯（πBMG）片的电化学性能 © 2024 AAAS

5.【成果启示】

综上，本研究通过引入纳米受限的板间水分子实现了纳米片的排列，防止了纳米片褶皱，并导致平行MXene和石墨烯纳米片的紧密堆叠。所得到的πBMG片表现出优异的机械性能，各向同性拉伸强度为1.87GPa，杨氏模量为98.7GPa。此外，这些薄片显示出高达1423 S cm-1的各向同性平面内室温电导率。MXene纳米片的引入和紧凑、排列的纳米片堆叠显著增加了πBMG片的质量密度。此外，πBMG片实现了稳定的电池型电压平台，并达到828 C cm-3的体积比容量。纳米受限水诱导排列的使用为组装各种二维纳米片的高性能材料提供了一种很有前途的方法。

 

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3549

本文由赛恩斯供稿。

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