​《自然·通訊》:大規模制備超高導電、無添加劑、無粘結劑、無復合的純MXene纖維!

二維(2D)納米材料與塊體材料相比,比表面積高、表面化學多樣,具有極好的電、化學、物理和機械性能,很容易組裝成納米結構。將2D的氧化石墨組裝成一維(1D)的碳基纖維是將納米材料宏觀化的一個重要進展。石墨烯纖維展示出輕量、機械柔性、彎折性、可拉伸性以及可以編織進織物的性能,可以作為新一代智能電子。2D納米片宏觀組裝成1D纖維的一個實用方法是濕法紡絲,通過紡絲液的凝膠化及凝固浴的固化成纖維可以實現連續大規模的制備。

2011年首次報道的一種新型2D過渡金屬碳/氮化合物MXene具有傑出的電導率、熱導率、機械性能和化學性能,有很廣泛的潛在應用。目前,已經報道瞭一些MXene纖維化的文章,但是纖維的電導率並沒有完全被利用,即1D MXene纖維的電導率沒有展示出2D MXene納米片的高電導率性能。而將純MXene通過濕法紡絲的方法制備出纖維的挑戰在於MXene片層較小,層間作用力差,導致其自支撐結構差。此外,制備MXene分散液時濃度還比較低難以直接成纖維。

為瞭解決難以制備純MXene纖維的問題,韓國漢陽大學的Tae Hee Han教授課題組近日報道瞭一種通過濕法紡絲法實現連續可控制備的無添加劑、無粘合劑、無復合的超高電導率(S cm-1)的MXene纖維。該研究成果以“Large-scale wet-spinning of highly electroconductive MXene fibers” 為題發表在《Nature communications》上(見文後原文鏈接)。

​《自然·通訊》:大規模制備超高導電、無添加劑、無粘結劑、無復合的純MXene纖維!

【圖文解析】

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圖1. 2D MXene納米片組裝成1D纖維的過程示意圖。

解析:利用LiF/HCl濕法刻蝕法將Ti3AlC2MAX中的Al刻蝕掉,經過後續的水洗離心過程制備出大片的Ti3C2Tx MXene納米片,通過濕法紡絲的限域作用,有序制備出米級的純MXene纖維。

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圖2. Ti3C2Tx (MXene)的合成及表征。

解析:MAX相Ti3AlC2是塊體結構,通過上述的濕法刻蝕法得到少層/單層的2D納米片層結構,並且由SEM和AFM圖可看出MXene的片層尺寸較大,所使用的紡絲MXene納米片的平均橫向尺寸為2.26±0.95 μm。

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圖3. MXene納米片的分散性和可紡性研究。

解析:研究發現MXene表面具有豐富的表面官能團,有利於其穩定的分散在水介質中。在高濃度(25 mg mL-1)下,MXene分散體形成粘度為3.87 x 103 Pa s的粘性油墨,沒有出現固體顆粒和分散介質的團聚和相分離現象。MXene從16 mg mL-1的濃度開始就可以形成液晶,顯示出雙折射現象。在流變學研究中,MXene的粘度隨著濃度的增加而增加,剪切速率的增加而降低;剪切應力在初始階段明顯減小,之後隨剪切速率的增大而增大,表明剪切變形誘導隨機取向的MXene片有序化。圖3i表征出儲能模量與損耗模量之比(G’/G’’)與纖維可紡性之間的關系。

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圖4. 純MXene纖維的濕法紡絲。

解析:MXene紡絲液在含NH4離子的凝固浴中容易凝膠化成纖維,固化成型。這種方法制備出瞭1米多長的MXene纖維。從纖維的SEM圖可以看出具有致密的層層堆疊結構及有序排列形貌。高導電的MXene纖維可以點亮LED燈及替代耳機線。

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圖5. 已報道的MXene纖維的電導率和楊氏模量的比較。

解析:本文制備出的純MXene纖維,電導率(7713 S cm-1)分別約是MXene/石墨烯雜化纖維的107(72.3 S cm-1)、27倍(290 S cm-1),是MXene/PEDOT:PSS纖維(1490 S cm-1)的5倍。

【總結】

作者應用濕法紡絲法大規模制備出純MXene纖維,解決瞭其片層間力不足、濃度低而不易大規模纖維化的問題。純1D MXene纖維充分利用瞭2D MXene納米片的高電導率,顯示出超高的電導率,有望用於柔性、便攜、可穿戴的微型電子設備。

全文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-16671-1

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