北航顶刊《PNAS》强度436MPa，杨氏模量14GPa！一种高强高导二维材料

编辑推荐：将优异的机械和电学性能集成到MXene基板中仍然是一个很大的挑战。本文制备的MXene (SBM)板材抗拉强度为436 MPa，韧性为8.39 MJ/m3，杨氏模量为14.0 GPa，还具有高导电性和非凡的电磁屏蔽效能。经过100次360度折叠后，可以保持原有电导率的78.5%和原有抗拉强度的87.2%。这种高性能MXene复合材料，在柔性电子器件和航空航天领域具有潜在应用前景。

MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料,其外形类似于片片相叠的薯片。碳化钛(Ti₃C₂T_x) MXene具有优良的导电性和机械性能，在航空航天和柔性电子领域具有很大的应用潜力。然而，将MXene纳米片组装成宏观高性能纳米复合材料具有挑战性，从而限制了MXene的实际应用。近日，来自北京航空航天大学的程群峰等研究者，通过氢键和离子键的顺序桥接制造了高强高导电的MXene薄片。相关论文以题为“Strong sequentially bridged MXene sheets”发表在PNAS上。

论文链接：

https://www.pnas.org/content/early/2020/10/20/2009432117?cct=1736

碳化钛(Ti₃C₂T_x) MXene，二维过渡金属碳化物，是一个新兴有前途的功能材料，由于其优异的机械和电气性能，可用于灵活的电子设备，航空航天，如超级电容器、锂离子电池、电磁干扰(EMI)屏蔽等众多领域中。表面极性官能团(T_x)，如-F，=O和-OH，使MXene纳米片易于通过氢键、离子键和共价键连接。

2011年发现的MXene纳米片，通过各种界面相互作用，被人们大量地组装成宏观的高性能MXene基纳米复合材料。例如，各种聚合物或纳米材料与含氧极性基团，如聚乙烯醇(PVA)、壳聚糖、海藻酸钠(SA),聚(材料间是的运动)聚(styrenesulfonate) (PEDOT: PSS)、纤维素纳米纤维(CNF),芳纶纳米纤维(ANF)、蒙脱石、石墨烯氧化物，由氢键引入MXene夹层，改善了MXene片的机械性能。Liu等人使用离子交联来增强MXene片。Shen等人通过共价桥接邻近的MXene小块来提高MXene片材的附着力和刚度。然而，这些策略通常只会以电导率的大幅降低为代价，对MXene-基板的力学性能造成轻微的改善，限制了它们的实际应用。例如，MXene-PVA片材具有中等的拉伸强度91 MPa，但极低的导电性仅为0.0004 S/cm。

最近，一种质子酸胶体处理方法被证明可以促进MXene薄片的电学和力学性能，但是由于薄片间的连接性较弱，所获得的抗拉强度(102 MPa)远低于此前报道的最强的MXene-CNF薄片(341 MPa)。因此，尽管取得了一些进展，但将优异的机械和电学性能集成到MXene基板中仍然是一个很大的挑战。

在这项工作中，研究者报道了通过顺序桥接过程构建高性能的MXene基板，其中MXene纳米板首先通过氢键与SA桥接，然后通过离子键与钙离子(Ca²⁺)桥接生成杂化的MXene-SA构建块。顺序桥接MXene (SBM)板材的平面抗拉强度为436 MPa，韧性为8.39 MJ/m³，杨氏模量为14.0 GPa，分别是纯MXene板材的6.9倍、13.5倍和2.5倍。此外，SBM薄片具有高导电性(2,988S/cm)和非凡的归一化EMI屏蔽效能(SE) (58,929dB·cm²/g)。在最大拉应力水平为245MPa时，SBM片材的疲劳寿命超过2×10⁵次。经过100次360度折叠后，SBM片材可以保持原有电导率的78.5%和原有抗拉强度的87.2%。在潮湿环境下，它们也表现出优异的长期电气稳定性。分子动力学(MD)模拟表明，同时提高拉伸强度和韧性是由于有效的载荷转移和MXene纳米薄片的大滑移。

图1 SBM薄片的制备与结构表征。

图2 SBM薄片的XRD和光谱表征。

图3 SBM板材的机电性能。

图4 SBM薄片的断裂机理。

图5 SBM片材抗重复拉伸、拉伸和折叠造成的机械损伤，以及在潮湿环境下的长期电气稳定性。

综上所述，研究者证明了氢和离子键合剂的连续应用可以优化韧性、抗拉强度、潮湿环境下的抗氧化性，以及抗超声解体和机械破坏。这些MXene片材的抗拉强度高达436 MPa。这里的顺序桥接工艺可用于组装其他MXene纳米片，形成高性能MXene复合材料，在柔性电子器件和航空航天领域具有潜在应用前景。（文：水生）