MXene邂逅纳米纤维素：多功能纳米复合物

【研究背景】
            兼备高机械强度与高电化学性能的结构电极材料在轻型柔性电子领域具有非常广阔的应用前景，这些材料应能够承受极高的机械应力和形变，同时保持较高的电荷存储性能，从而在器件的有限空间内减少不具有电化学活性的重量和体积。然而，大多数传统的电极材料无法同时满足上述要求。先前的报道主要涉及到使用改进型碳纤维复合物或者石墨烯基材料作为结构材料以保证机械强度，但是这类材料大部分都无法弥补电化学储能容量低的缺陷。金属氧化物和导电聚合物可以用来提升石墨烯基材料的容量。难点主要集中在不同物质之间的相互作用比较弱，进而导致最终产物具有较差的机械稳定性。因此，对于具有杰出机械稳定性，高的电子与离子导电性以及高的电荷储存倍率的新一代结构储能纳米材料是至关重要的。
 
【成果简介】
      近日，瑞典皇家科学院Mahiar M. Hamedi教授在材料类国际顶级期刊Advanced Materials上发表了一篇通讯文章，题目为 Multifunctional Nanocomposites with High Strength and Capacitance Using 2D MXene and 1D Nanocellulos。文章报道了一种具有机械稳定性的自组装2D MXene与1D 纤维素纳米纤维的复合物，该纳米纤维具有较高的长宽比(宽度约3.5 纳米, 长度可以达到几十微米)，而且与MXene之间特殊的相互作用使其在不牺牲电化学性能的前提下具有较高的机械稳定性。纤维素的负载量达到20%时，具有341MPa的机械强度，远远高于单纯MXene膜的29MPa，与此同时还具有298F g-1的比电容和295 S cm-1的高导电性。

【图文导读】

图1 Ti3C2Tx MXene/CNF 混合溶液a) 合成示意图；b) 不同时间的Zeta电势; c) - f) MXene 与 CNF的AFM图像; g)-h) 力/半径和Ti3C2Tx纳米片与CNF界面距离的关系; i) Ti3C2Tx纳米片与CNF界面附着力与离子强度的关系。

图2 不同Ti3C2Tx与CNF比例的形貌表征。分别为纯MXene，10%，20%，40%，80% 和纯CNF。

图3物理表征：a) Ti3C2Tx/CNF; b) Ti3C2Tx/CNC XRD 图谱。c) Ti3C2Tx-20%CNF,Ti3C2Tx/CNC, Ti3C2Tx拉伸应力-应变曲线; d) Ti3C2Tx/CNF的拉伸强度; e) Ti3C2Tx/CNF的电子传导率; f) Ti3C2Tx/CNF与对比样品拉伸强度与导电性的关系：Ashby图。

表1 Ti₃C₂T_x MXene,Ti₃C₂T_x/CNF, CNF的物理性质。

图4 Ti₃C₂T_x/CNF的电化学性能表征。

图5 基于Ti3C2Tx/CNF 组装的微型超级电容器制备流程以及电化学性能表征。
 
【本文总结】
       本研究通过二维Ti3C2TxMXene和一维纤维素纳米纤维CNF的混合胶体溶液的合理设计得到了具有三项优异性能的多功能纳米复合材料。(1) 340 MPa的高机械强度，比29 MPa的单纯MXene膜高一个数量级，这归因于溶液中两种物质之间的相互作用以及不同维度几何形状的协同作用。(2)由于CNF足够小的宽度（约3.5 nm），从而使二维MXene纳米片之间具有更高的电导率2.95×104 S m-1。(3) 具有298 F g-1的高比电容，因为CNF的存在会促进离子的迁移和赝电容电荷存储。该电极的综合性能比之前报道的超级电容器的性能都要高。实验进一步表明，MXene / CNF分散液可以轻易地印刷成各种形状，以用于具有高功率和能量密度的电子产品和微型超级电容器。一维和二维复合材料的自组装方式直接决定了纳米复合材料的性能，使其在电化学储能和印刷电子等领域具有更大的应用价值。

文献链接：
https://doi.org/10.1002/adma.201902977

消息源：微信公众号  MXene Frontier