科研進(jìn)展
蘭州化物所多功能MXene凝膠研究獲新進(jìn)展
二維層狀過(guò)渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物（ MXene）因其高導(dǎo)電性、強(qiáng)親水性和表面基團(tuán)易調(diào)控等特點(diǎn)，在能量?jī)?chǔ)存與轉(zhuǎn)化、潤(rùn)滑和 3D打印等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。但 MXene納米片的高表面能和端基之間的強(qiáng)靜電斥力易使其在分散介質(zhì)中產(chǎn)生無(wú)序堆疊，繼而導(dǎo)致其性能發(fā)生極大衰減。將二維 MXene納米片自組裝成擁有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠被認(rèn)為是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的有效方案。通過(guò)添加有機(jī)物、表面活性劑或金屬離子等作為納米片交聯(lián)劑是 MXene凝膠的常見(jiàn)構(gòu)筑方式，然而交聯(lián)劑的加入極有可能對(duì)MXene導(dǎo)電性、潤(rùn)滑性等帶來(lái)不利影響。
近日，中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所固體潤(rùn)滑國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合成潤(rùn)滑材料研究組在制備無(wú)交聯(lián)劑的 MXene凝膠及其應(yīng)用方面取得新進(jìn)展。研究人員基于低強(qiáng)度離心輔助策略，無(wú)需引入交聯(lián)劑，在 30s內(nèi)即可制得 MXene凝膠。通過(guò)調(diào)節(jié)前驅(qū)體 pH以調(diào)控 MXene表面端基組分，可引發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的拓?fù)渲貥?gòu)。還證實(shí)，表面化學(xué)成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化可帶來(lái)凝膠潤(rùn)滑、電化學(xué)儲(chǔ)能、光/熱轉(zhuǎn)化等性能的改變，使得凝膠呈現(xiàn)出多功能性。
圖1. MXene凝膠的制備過(guò)程
圖 2. 不同pH下MXene凝膠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及表面端基成分的區(qū)別
研究人員采用M Xene凝膠作為潤(rùn)滑劑，通過(guò)對(duì)體系 中pH的控制，實(shí)現(xiàn)了其潤(rùn)滑性能的突變。摩擦測(cè)試表明， pH4凝膠的摩擦系數(shù)可降至 0.1以下， 較pH10降低了約0.35，同時(shí)，磨損體積也有大幅降低，表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩抗磨性能，這種現(xiàn)象主要?dú)w因于不同 pH下凝膠拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的差異。
圖 3. 不同pH MXene凝膠的摩擦學(xué)性能及機(jī)理研究
利用 MXene凝膠作為超級(jí)電容器電極，將其直接涂布在集流體上，從而有效避免了粘結(jié)劑的加入對(duì)電化學(xué)性能帶來(lái)的負(fù)面影響。凝膠的電化學(xué)性能與其電導(dǎo)率和比表面積有關(guān)，二者受其 MXene納米片表面端基和空間排布的影響，故不同 pH下MXene凝膠的電化學(xué)性能呈現(xiàn)出明顯差異。此外，無(wú)粘結(jié)劑和交聯(lián)劑的加入，還大幅提升了凝膠的導(dǎo)電性并提供了豐富的活性位點(diǎn)，繼而賦予凝膠極高的比容量，其比電容值高于諸多近年來(lái)報(bào)道的 MXene基凝膠電極。
圖4. 不同pH MXene凝膠的電化學(xué)性能研究
基于 MXene凝膠適宜的流變學(xué)行為，將其作為墨水用于涂布和擠出打印。研究發(fā)現(xiàn)凝膠的紅外發(fā)射率和紅外光熱轉(zhuǎn)化效率受其表面基團(tuán)及內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，故不同pH下的凝膠表現(xiàn)出非一致的熱屏蔽和光熱轉(zhuǎn)化能力。基于此，凝膠在信息加密和紅外防偽等領(lǐng)域表現(xiàn)出出色的潛在應(yīng)用價(jià)值。
圖 5. MXene凝膠用于涂布/擠出打印及防偽
上述研究工作以“ Versatile MXene Gels Assisted by Brief and Low-Strength Centrifugation”為題發(fā)表在 Nano-Micro Letters ( 2024, 16: 94，DOI: 10.1007/s40820-023-01302-3)上，蘭州化物所于偉燕助理研究員為該論文的第一作者，蘭州化物所徐路研究員和煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室郝京誠(chéng)教授為共同通訊作者。
以上工作得到中國(guó)科學(xué)院高層次人才計(jì)劃項(xiàng)目、蘭州化物所特聘人才計(jì)劃項(xiàng)目、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目和煙臺(tái)先進(jìn)材料與綠色制造山東省實(shí)驗(yàn)室柔性引進(jìn)項(xiàng)目的支持。
