南開大學梁嘉杰團隊 ACS Nano: 基于等離子體Ti3C2Tx MXene的具有高光熱轉換效率的可修復透明可穿戴器件

【引言】

太陽能是取之不及、用之不竭的理想能源。目前人類正在致力于發展光電、光催化、光熱轉換等先進的綠色技術，以捕獲并將這種可再生能源轉化為可持續能源。其中，太陽能光-熱轉換技術，由于其操作相對簡單且能量轉換效率較高而越來越受到人們的關注。同樣的，在可穿戴透明器件領域中，隨著眾多先進綠色技術的發展，將彈性和高光學透明度結合的透明可穿戴器件為實現下一代電子產品的很多新興應用提供了新的機會。但是，與其他傳統的可穿戴電子器件一樣，存在一個普遍的問題是：透明可穿戴器件在經歷意外破裂或劃傷后容易發生故障，進而大大降低了設備的壽命和安全性。因此，開發具有可修復功能的透明可穿戴材料，使其在經受機械損傷后，能夠實現快速且無創的修復，進而恢復其原始功能顯得尤為重要。

【成果簡介】

近日，南開大學的梁嘉杰教授（通訊作者）課題組報道了一種等離子體銀納米粒子(AgNP)@MXene雜化物作為光熱填料與水性聚氨酯彈性體相復合，在超低添加量情況下，得到一種具有快速、高效的光引發自修復能力，且同時保持高透明度的可穿戴復合涂層。雜化后的AgNP@MXene由于結合了AgNPs優異的等離子體共振效應，MXene自身很高的光熱效應、高導熱性能、特殊的二維結構，以及二者之間的協同作用，從而具有非常高的光熱轉換效果，可以作為高效的光子捕獲體、能量轉換體和分子加熱體。當AgNP@MXene在很低添加量（0.08 wt% 或0.024 vol%）時，經600 mW cm^-2 vis-IR光輻照5 min后即可使得所制備的透明可穿戴復合涂層表面溫度顯著升高（升高溫度約111±2.6 ℃）；同時在60 μm的厚度下，涂層保持著83%的高透光率。復合涂層表面溫度的快速升高可以迅速修復涂層的機械損傷，其愈合效率可以達到97%。研究成果以題為“Plasmonic Ti₃C₂T_x MXene Enables Highly Efficient Photothermal Conversion for Healable and Transparent Wearable Device”發表在國際著名期刊ACS Nano上，博士研究生范向前與碩士研究生丁燕為共同第一作者。

【圖文解讀】

圖一、AgNP@MXene雜化物的結構表征圖
（a）AgNP@MXene雜化物的低分辨TEM圖；

（b）AgNP@MXene雜化物的高分辨TEM圖；

（c）AgNP@MXene雜化物的Ti、C、O和Ag的EDS元素分布圖；

（d）純MXene納米片和AgNP@MXen雜化物的XRD譜圖；

（e）純MXene納米片和AgNP@MXene雜化物的FT-IR譜圖；

（f）純MXene納米片和AgNP@MXene雜化物的XPS譜圖；

（g）AgNP@MXene雜化物的高分辨Ag 3d XPS譜圖；

（h）純MXene和AgNP@MXene雜化物水溶液的UV-vis 譜圖。

圖二、AgNP@Mxene-PU復合涂層的光學性能和光熱性能表征圖
（a）AgNP@MXene添加量為0.05 wt％時，不同厚度AgNP@MXene-PU復合涂層的光學透光率譜圖；

（b）AgNP@MXene添加量為0.08 wt％時，不同厚度AgNP@MXene-PU復合涂層的光學透光率譜圖；

（c）AgNP@MXene添加量為0.16 wt％時，不同厚度AgNP@MXene-PU復合涂層的光學透光率譜圖；

（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復合涂層（厚度100 μm）的表面溫度隨時間的變化圖；

（e）MXene和AgNP@MXene添加量為0.08 wt%時，MXene-PU和AgNP@MXene-PU復合涂層（厚度100 μm）輻照5 min后的溫度增加（ΔT）與輻照功率密度的關系圖；

（f）不同AgNP@Mxene添加量的AgNP@Mxene-PU復合涂層（厚度100 μm），在600 mW cm^-2 vis-IR光輻照下的表面溫度隨時間變化的紅外熱成像圖。

圖三、AgNP@Mxene-PU復合涂層在光輻照下的光熱效應示意圖

圖四、AgNP@Mxene-PU復合涂層在光照射下的愈合過程圖
（a）純PU在600 mW cm^-2 vis-IR光輻照下隨時間變化的愈合過程圖；

（b）AgNP@MXene添加量為0.05 wt％時，AgNP@MXene-PU復合涂層在600 mW cm^-2 vis-IR光輻照下隨時間變化的愈合過程圖；

（c）AgNP@MXene添加量為0.08 wt％時，AgNP@MXene-PU復合涂層在600 mW cm^-2 vis-IR光輻照下隨時間變化的愈合過程圖；

（d）AgNP@MXene添加量為0.16 wt％時，AgNP@MXene-PU復合涂層在600 mW cm^-2 vis-IR光輻照下隨時間變化的愈合過程圖；右圖為AgNP@MXene-PU復合涂層隨時間變化的愈合過程的三維形貌圖。

圖五、AgNP@Mxene-PU復合涂層在愈合過程中的應力-應變曲線圖
（a）AgNP@MXene添加量為0.08 wt％時，AgNP@MXene-PU復合涂層在愈合過程中應力-應變曲線；

（b）AgNP@MXene添加量為0.16 wt％時，,AgNP@MXene-PU復合涂層在愈合過程中的應力-應變曲線。

圖六、透明、皮膚-可貼附的加熱涂層演示圖
（a）AgNP@MXene添加量為0.08 wt％時，100 μm厚度的AgNP@Mxene-PU復合涂層貼附于手部的光學照片圖；

（b, c）在太陽光輻照前和輻照1 min后，貼附復合涂層的手部紅外熱成像圖。

【小結】

綜上所述，作者提出了一種基于光熱轉化的綠色技術來構建可修復的、透明的可穿戴復合涂層的策略。制備的AgNP@MXene雜化物結合了AgNPs優異的等離子體效應和MXene自身很高的光熱效應、高導熱性能、特殊結構性能以及它們二者之間的協同作用，因此具有非常高的光熱轉換效應，可以作為高效的光子捕獲體、能量轉換體和分子加熱體。利用其所制備的可穿戴AgNP@MXene-PU復合涂層在AgNP@MXene雜化物添加量超低（0.08 wt%）的情況下，經600 mW cm^-2 vis-IR 光輻照后，表面溫度顯著升高，使得AgNP@MXene-PU復合涂層具有快速且有效的光引發修復功能，同時保持著高透明度。此外，AgNP@MXene-PU復合涂層被直接用作一種透明的可貼附的加熱材料，證明其在透明可穿戴器件中的適用性。這一簡單策略可以構建具有高效光熱轉換和遠程光引發愈合功能的透明可穿戴材料，使得人們向生產安全、長壽命的透明可穿戴器件邁出的重要一步。

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

通訊作者簡介

梁嘉杰，教授，博士研究生導師，第十二批“國家青年千人”。2011年博士畢業于南開大學高分子研究所（導師：陳永勝教授），隨后加入美國加州大學洛杉磯分校裴啟兵教授課題組從事博士后以及助理研發工程師的研究工作。2016年加入南開大學材料科學與工程學院并成立柔性印刷功能器件實驗室。主要研究方向：高性能復合材料及在印刷及可穿戴功能器件的構建和集成中的應用研究。研究領域涵蓋高分子化學與物理，材料科學與工程，化學、電子工程學，以及物理學等眾多交叉學科。本課題組立足于“產學研”結合，從新功能復合材料的設計合成出發，利用綠色先進打印、印刷集成技術，針對應用需求構建功能性器件。近年來，以第一及通訊作者身份發表論文30多篇，其中包括Nat. Photon., Nat. Commun., Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Energy Mater., Adv. Funct. Mater. 等國際著名期刊雜志，其中 6 篇入選 ESI Top 1%高被引論文，論文總引用次數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編譯。

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