华东理工大学Small: 通过减材制造实现纯MXene薄膜机械强度和导电性之间的权衡

邃瞳科学云

2025-02-16

导读：本研究通过逐层自组装和负压真空退火构建了减法制造的纯净 MXene 薄膜。通过去除表面官能团和层间水分子挤压层间距，可以在不牺牲导电性的情况下提高MXene薄膜的机械强度和稳定性

第一作者：荣超

通讯作者：张博威*，朱明亮*，轩福贞*

研究背景

二维材料具有独特的分层结构和多功能性，将功能二维材料集成到坚固且高导电性的宏观薄膜中对于促进应用至关重要。二维过渡金属碳/氮化物Ti₃C₂T_x MXenes由于其金属导电性、强大的机械性能、可调的表面化学性质和优异的溶液可加工性，在过去十年中引起了广泛的关注。带负电荷的Ti₃C₂T_x纳米片可通过浸铸干燥、真空辅助抽滤、喷涂、和叶片刮涂等方法重新堆叠成宏观薄膜。然而，由于纳米片的界面相互作用和再堆积能力较弱，纯Ti₃C₂T_x薄膜的力学性能并不理想。目前，Ti₃C₂T_xMXene 宏观薄膜通过添加粘合剂提高了机械性能和导电性。然而，多元体系很难详细研究纳米片“砖块”本身的机械性能与层间范德华相互作用力之间的主导关系。迫切需要开发一种高效、简便的制备策略来平衡Ti₃C₂T_x宏观薄膜的力学性能和导电性。原则上，Ti₃C₂T_x纳米片的层间相互作用、取向和纳米片自身的物理化学性质是提高MXene薄膜力学性能应考虑的三个关键参数。

文章简介

为了解决上述的科学问题，华东理工大学轩福贞、张博威、朱明亮等在Small 上发表了题为 “Tradeoff between Mechanical Strength and Electrical Conductivity of MXene Films by Nacre-Inspired Subtractive Manufacturing” 的研究论文。该团队通过逐层自组装和负压真空退火构建了减法制造的纯净 MXene 薄膜。通过去除表面官能团和层间水分子挤压层间距，可以在不牺牲导电性的情况下提高MXene薄膜的机械强度和稳定性。并在跨尺度（纳米/微米到宏观）上揭示了纳米片之间复杂的相互作用机制。

本文亮点

图1. 通过灵活的减材制造策略去除纳米限域水和表面官能团来挤压二维层间距，从而在不牺牲电导率的情况下提高Ti₃C₂T_x薄膜的机械强度和稳定性。

通过真空辅助抽滤使单层MXene纳米片逐层自组装，制备了排列紧密仿贝壳珍珠质纯MXene薄膜。

图2. 纯Ti₃C₂T_x薄膜的制备与表征。

通过物理负压退火去除表面官能团和层间水分子挤压层间距，构建了减材制造的纯MXene薄膜。

图3. 减材制造过程中纯Ti₃C₂T_xMXene薄膜的层间间距及物理化学性质研究。

通过层间距和界面基团的协同作用，得到了具有优异力学性能和电学性能的Ti₃C₂T_x薄膜，并系统研究纯MXene薄膜的性能提升机制。

图4. Ti₃C₂T_x薄膜的拉伸力学性能。

Ti₃C₂T_x薄膜的物理性质，及其性能对比。

图5. Ti₃C₂T_x薄膜的物理性质。

文献信息

Chao Rong, Ting Su, Tianshu Chu, Mingliang Zhu,* Bowei Zhang* & Fu-Zhen Xuan*. Tradeoff between Mechanical Strength and Electrical Conductivity of MXene Films by Nacre-Inspired Subtractive Manufacturing. Small 2025, 2411329.

https://doi.org/10.1002/smll.202411329

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