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《美国科学院院刊》刊发我校程群峰课题组研究成果
上传时间:2020年10月22日      浏览次数:

北航新闻网10月22日电(通讯员 刘乃鹏) 2020年10月21日,《美国科学院院刊》在线刊登了我校化学学院程群峰、江雷院士团队及其合作者的最新研究成果“有序交联的高强MXene薄膜”(英译:Strong sequentially bridged MXene sheets),程群峰为通讯作者,北航卓百博士后万思杰和化学学院本科生李响为第一作者,北航为第一通讯单位。

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  碳化钛MXene纳米片作为一种新兴的二维过渡金属碳化物,具有优异的力学和电学性能,可以用来制备各种功能材料,用于航空航天和柔性电子器件等领域。因此,将MXene纳米片组装成宏观高性能MXene纳米复合材料具有重要意义。传统组装方法通常存在MXene层间界面作用弱以及取向度低等缺点,因此制备的MXene薄膜力学和电学性能较差;此外,传统方法制备的MXene薄膜在潮湿环境下易氧化,不利于MXene薄膜的实际应用。基于此,程群峰课题组提出了仿生界面交联策略构筑高性能MXene薄膜。

  首先,通过在MXene层间有序引入氢键(海藻酸钠,SA)和离子键(Ca2+)相互作用,构筑了MXene薄膜(图1)。SA和MXene纳米片之间形成氢键,而Ca2+不仅可以与MXene纳米片形成离子键,还可以与SA分子形成螯合结构(类似于贻贝足丝界面交联结构),极大增强了MXene层间界面相互作用。相比于单一界面作用,这种有序交联界面产生协同效应,大幅度提高了MXene薄膜的力学性能。同时,有序交联构筑的MXene薄膜具有优异的电学性能和电磁屏蔽效能。研究发现,界面协同作用大幅提高了MXene薄膜的抗氧化性能,为将来MXene薄膜的实际应用奠定了基础。分子动力学模拟结果,进一步揭示了氢键和离子键的界面协同强韧机理,为制备其他高性能MXene纳米复合材料提供了理论指导。

图1. 有序交联MXene薄膜的制备过程和结构表征。

  MXene薄膜的拉伸强度、杨氏模量和韧性的变化规律为:有序交联MXene >氢键交联MXene >离子键交联MXene >未交联MXene(图2)。有序交联MXene薄膜的拉伸强度(436 MPa)超过了文献报道的MXene复合薄膜。此外,广角X-射线衍射(WAXS)结果表明,离子键交联可以改善MXene纳米片的取向度,减小MXene纳米片的层间距,从而使MXene薄膜具有高电学性能和电磁屏蔽效能。

图2. 有序交联MXene薄膜的力学和电学性能。

  同时,该有序交联MXene薄膜具有优异的动态抗弯折性能、耐疲劳性能和抗氧化性能(图3),例如,在最大应力245 MPa下,该有序交联MXene薄膜可以循环拉伸2×105次;在360º循环弯折100次后,该有序交联MXene薄膜可以保持87%的拉伸强度和79%的电导率;在潮湿空气中保存10天后,该有序交联MXene薄膜可以保持76%的电导率。

图3. 有序交联MXene薄膜的疲劳寿命曲线和在潮湿环境下的电阻变化率。

  分子动力学模拟结果,揭示了氢键和离子键有序交联MXene薄膜的强韧机制(图4):离子键和氢键有序断裂赋予MXene薄膜高强度;而离子键、氢键的桥接和SA-Ca2+螯合结构的塑性变形大幅抑制了裂纹扩展,从而赋予MXene薄膜的高韧性。拉伸断裂后,该有序交联MXene薄膜的边缘呈现卷曲形貌,进一步证实了这种强界面协同作用。

图4. 有序交联MXene薄膜的分子动力学模拟结果和拉伸断裂形貌。

  该工作得到中科院院士江雷教授的指导,中科院过程工程研究所王艳磊博士、北京大学口腔医学院陈英博士、中科院金属研究所谢曦博士和杨锐研究员以及美国劳伦斯国家实验室资深科学家Antoni P. Tomsia教授的大力合作和帮助,部分模拟计算得到北航高性能计算中心的大力支持。研究工作得到国家自然科学基金优秀青年基金(51522301)、面上项目(22075009,21875010)、青年基金(52003011)、牛顿高级学者基金(519611303088)、北京市杰出青年基金(JQ19006)、中国博士后创新人才支持计划(BX20200038)、中国博士后面上基金(2019M660387)、江门市创新实践博士后研究课题、中国科协优秀中外青年交流计划、以及北航青年拔尖人才计划、青年科学家团队、生物医学工程高精尖中心、111引智计划(B14009)等项目的资助。

该论文的原文链接:

程群峰课题组网站链接:

(审核:刘明杰)

 

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