液态金属顺序桥联法制备超强Mxene薄膜

金爵 5个月前 (07-05) 2442浏览

一、 【科学背景】  

        Mxene材料具有优异的导电性和机械性而备受关注。传统的Mxene薄膜制备方法存在着一些问题，例如成本高、工艺复杂等。为了解决这些问题，研究人员提出了一种新的制备方法——液态金属顺序桥联法。该方法利用液态金属在Mxene表面形成一层金属膜，通过顺序桥联反应将金属膜与Mxene层连接在一起，形成超强Mxene薄膜。北京航空航天大学的程群峰教授团队，魏立，周天柱（博士后）、张泽军（博士研究生）、李雷（博士研究生）作为共同一作，报道了采用刮刀涂覆的方法制备取向度为0.75的MXene薄膜，拉伸强度可达570 Mpa。发展了一种空间受限蒸发方法，进一步将Mxene纳米片的取向度提高到0.99，所得到的Mxene薄膜的拉伸强度为707 Mpa。空洞和界面相互作用也是提高MXene薄膜应力传递效率的重要因素，相关研究成果以 “Ultrastrong MXene film induced by sequential bridging with liquid metal”为题目发表在国际顶级期刊Science上。

二、【科学贡献】

        将碳化钛(Ti3C2Tx)Mxene纳米片组装成宏观薄膜是一个挑战，包括空洞、低取向度和弱界面相互作用，这些都降低了力学性能。展示了一种使用液态金属(LM)和细菌纤维素(BC)顺序桥接MXene纳米片(LBM膜)的超强宏观Mxene薄膜，获得了908.4兆帕的抗拉强度。采用反复涂覆叶片的逐层方法使薄膜的取向度提高到0.935，而具有良好变形性的薄膜将孔洞减少到5.4%。通过BC的氢键和与LM的配位键合，增强了界面的相互作用，提高了应力传递效率。顺序桥联为将其他二维纳米片组装成高性能材料提供了一条途径。

图1 LBM薄膜的制备原理与表征。© 2024 Science

图2 LBM薄膜的界面相互作用表征。© 2024 Science

图3 LBM薄膜的力学性能和断裂机理。© 2024 Science

图4 电磁干扰屏蔽效能的表现。© 2024 Science

三、【 创新点】 

      1．通过顺序桥接离子和共价键，通过组装大小的MXene薄片，进一步减少了空隙。所得MXene薄膜的孔隙率低至4.11%，拉伸强度高达739 Mpa。所获得的MXene薄膜的拉伸强度远远低于本征单层MXene的拉伸强度，仅为17.3 GPA。

  1. 通过依次桥接氢键和共价键， MXenefime中的孔隙率从15.4%降低到5.35%，导致抗拉强度为583兆帕。

四、【 科学启迪】

        本文用LM（液态金属）和BC（细菌纤维素）连续桥联MXene纳米片，制备了超强宏观LBM薄膜。该纳米颗粒有效地减少了LBM膜的空洞。通过BC的氢键和与LM的配位键，MXene纳米片之间的界面相互作用得到了极大的加强。这些结果进一步提高了MXene纳米薄片在LBM薄膜中的应力传递效率。此外，LBM薄膜具有较高的电磁屏蔽效率。该方法提出的使用LM和BC的制造策略减少了空洞并提高了应力传递效率，这可能使其他二维纳米片组装成高性能材料成为可能。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado4257

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