MXene/PVDF复合透明膜

【研究背景】
    随着现代电子和电力系统的高速发展，迫切需要同时具有高介电常数和低介电损耗的聚合物基电介质来构建具有高能量密度的静电薄膜电容器，由于其具有重量轻，柔韧性好，易于加工且击穿强度高的优点。即使聚合物电介质具有较高的击穿强度和较低的电介质损耗，其介电常数低于10通常也会导致储能密度不尽如人意。因此，由于它们的负相关性，实现高介电常数和击穿强度仍然是巨大的挑战。

【成果简介】
       近日，长春应用化学研究所聂伟研究员和冉祥海研究员合作，报道了通过旋涂、喷涂和热压方法制备的具有高介电常数和超低介电损耗的多层结构Ti3C2Tx MXene /聚偏二氟乙烯（PVDF）薄膜。4MXene / 5PVDF（即四层MXene和五层PVDF）在1 kHz时具有高介电常数（41）和超低介电损耗（0.028，小于纯PVDF的介电损耗）。令人惊讶的是，MXene / PVDF薄膜显示出良好的宽带介电性能，并且4MXene / 5PVDF的介电常数在1 MHz时可以达到32.2，可以保持1kHz时的78.4％。根据结晶相变和电模量与温度的关系，优异的介电性能归因于增强的界面极化。多层结构可以有效地防止在整个薄膜上形成导电网络，并且最大放电能量密度为7.4 J cm3。该成果在线发表于 Journal of Materials Chemistry C: Multilayer-structured transparent MXene/PVDF film with excellent dielectric and energy storage performance
 
【图文导读】

图1 (a 通过喷涂法制备MXene / PVDF膜的过程示意图。插图是MXene溶液的照片和Ti3C2TxMXene的结构。(b) 通过热压法制造的多层结构的MXene/ PVDF膜的示意图。(c)多层结构的4MXene /5PVDF膜的截面SEM图像。(d) 在绿色虚线区域中的碳C，氟F，氧O和钛Ti的元素映射图像。(e) MXene/ PVDF膜的光学图像，显示出良好的透明度。

图2 (a)介电常数，(b)介电损耗(c) 具有不同数量MXene层的MXene / PVDF膜的交流电导率。(d)分别在1 kHz和1 MHz下具有不同MXene层数的MXene / PVDF膜的相应介电常数和介电损耗。

图3 (a)纯PVDF中界面极化的示意图; (b)在外部电场下的MXene / PVDF膜; (c)MXene和PVDF的结构示意图以及MXene(F,O)和PVDF(H)之间形成的偶极子

图4 威布尔图: PVDF和MXene / PVDF薄膜击穿强度

图5 (a) D–E磁滞回线, (b)纯PVDF和MXene / PVDF薄膜的放电能量密度和放电效率。

【本文总结】
    通过设计新颖的多层结构MXene / PVDF薄膜，实现了高介电常数，抑制介电损耗和高能量存储密度。将MXene层喷涂到PVDF上可提供多层结构的薄膜，该薄膜具有更多的空间用于界面处的电荷积累，以增强MWS极化。MXene（F和O）与PVDF（H）之间的氢键使更多的偶极子来增强介电常数。同时，PVDF层的绝缘效果确保了抑制的介电损耗和高击穿强度。这种多层结构提供了一种有前途的策略来构造可应用于电容器的具有优异介电性能的电介质。

文献链接：
https://doi.org/10.1039/c9tc02715g
DOI: 10.1039/c9tc02715g
消息来源：微信公众号  MXene Frontier