新年力作，北京航空航天大學最新Science！

賽恩斯 1周前 (02-16) 268瀏覽

1.【導讀】

石墨烯和二維過渡金屬碳化物和/或氮化物（MXenes）等二維材料由于其電學和機械性能，是制造柔性儲能器件的重要材料。排列、層間相互作用和致密性是影響二維（2D）納米材料力學性能的三個重要因素。有序組裝、層間交聯和孔隙填充等策略已被用于改善2D納米材料的力學性能。然而，通過濕化學方法組裝的2D納米材料在干燥過程中不可避免地會發生毛細管收縮。毛細管收縮伴隨著強烈的結構收縮，這會導致納米片褶皺并降低機械性能。超臨界干燥和冷凍干燥可以防止毛細管收縮，但會導致薄片密度增加，從而提供非優化的機械性能。此外，增加接觸角或更換溶劑已被證明可有效減少2D納米材料中的固有褶皺，已經制備了許多自支撐2D納米材料的薄片，但同時實現高對準性和致密性仍然不可行。如何在室溫是地，將這些材料的納米片組裝成面內各向同性、自支撐的片層，仍然是主要挑戰。

2.【成果掠影】

基于以上難題，北京航空航天大學程群峰教授聯合得克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman院士，利用納米受限水誘導的基平面排列以及共價和π-π橋接，在室溫下制備了Ti3C2Tx MXene橋接石墨烯片，各向同性面內拉伸強度為1.87 GPa，模量為98.7 GPa。面內室溫電導率達到1423 S cm-1，體積比容量達到828 C cm-3。這種納米受限水誘導的排列可能為制造2D納米片的其他排列宏觀組裝提供了一種重要方法。相關研究成果以“Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage”為題發表知名期刊Science上。

3.【核心創新點】

  • 利用納米限域水誘導的基平面取向以及共價和π-π片間橋連，在室溫時，制備了碳化鈦MXene橋連的石墨烯片。
  • 制備的石墨烯片各向同性面內拉伸強度為87 GPa，模量為98.7 GPa；面內室溫電導率達到1423 S cm-1，體積比容量達到828 C cm-3。

4.【數據概覽】

圖1. 用納米受限水獲得的MXene和GO納米片的制備和結構示意圖 ? 2024 AAAS

圖2. GO、MXene和MXene橋接氧化石墨烯（MGO）片的結構表征 ? 2024 AAAS

圖3. 平面內各向同性MXene橋接石墨烯（πBMG）片的制造和結構示意圖 ? 2024 AAAS

圖4. rGO片和面內各向同性MXene橋接石墨烯（πBMG）片的性能 ? 2024 AAAS

圖5. 毛細管干燥的π-π橋接MXene橋接石墨烯（CπBMG）和面內各向同性MXene橋接的石墨烯（πBMG）片的電化學性能 ? 2024 AAAS

5.【成果啟示】

綜上，本研究通過引入納米受限的板間水分子實現了納米片的排列，防止了納米片褶皺，并導致平行MXene和石墨烯納米片的緊密堆疊。所得到的πBMG片表現出優異的機械性能，各向同性拉伸強度為1.87GPa，楊氏模量為98.7GPa。此外，這些薄片顯示出高達1423 S cm-1的各向同性平面內室溫電導率。MXene納米片的引入和緊湊、排列的納米片堆疊顯著增加了πBMG片的質量密度。此外，πBMG片實現了穩定的電池型電壓平臺，并達到828 C cm-3的體積比容量。納米受限水誘導排列的使用為組裝各種二維納米片的高性能材料提供了一種很有前途的方法。

 

原文詳情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3549

本文由賽恩斯供稿。

分享到