兰州化物所多功能MXene凝胶研究获新进展

  二维层状过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物(MXene)因其高导电性、强亲水性和表面基团易调控等特点,在能量储存与转化、润滑和3D打印等领域展现出巨大的应用潜力。但MXene纳米片的高表面能和端基之间的强静电斥力易使其在分散介质中产生无序堆叠,继而导致其性能发生极大衰减。将二维MXene纳米片自组装成拥有三维网络结构的凝胶被认为是应对这一挑战的有效方案。通过添加有机物、表面活性剂或金属离子等作为纳米片交联剂是MXene凝胶的常见构筑方式,然而交联剂的加入极有可能对MXene导电性、润滑性等带来不利影响。
  近日,vic115维多利亚固体润滑国家重点实验室合成润滑材料研究组在制备无交联剂的MXene凝胶及其应用方面取得新进展。研究人员基于低强度离心辅助策略,无需引入交联剂,在30s内即可制得MXene凝胶。通过调节前驱体pH以调控MXene表面端基组分,可引发内部结构的拓扑重构。还证实,表面化学成分和内部结构的变化可带来凝胶润滑、电化学储能、光/热转化等性能的改变,使得凝胶呈现出多功能性。
图1. MXene凝胶的制备过程
2. 不同pH下MXene凝胶拓扑结构及表面端基成分的区别
  研究人员采用MXene凝胶作为润滑剂,通过对体系中pH的控制,实现了其润滑性能的突变。摩擦测试表明,pH4凝胶的摩擦系数可降至0.1以下,较pH10降低了约0.35,同时,磨损体积也有大幅降低,表现出优异的减摩抗磨性能,这种现象主要归因于不同pH下凝胶拓扑结构的差异。
3. 不同pH MXene凝胶的摩擦学性能及机理研究
  利用MXene凝胶作为超级电容器电极,将其直接涂布在集流体上,从而有效避免了粘结剂的加入对电化学性能带来的负面影响。凝胶的电化学性能与其电导率和比表面积有关,二者受其MXene纳米片表面端基和空间排布的影响,故不同pH下MXene凝胶的电化学性能呈现出明显差异。此外,无粘结剂和交联剂的加入,还大幅提升了凝胶的导电性并提供了丰富的活性位点,继而赋予凝胶极高的比容量,其比电容值高于诸多近年来报道的MXene基凝胶电极。
图4. 不同pH MXene凝胶的电化学性能研究
  基于MXene凝胶适宜的流变学行为,将其作为墨水用于涂布和挤出打印。研究发现凝胶的红外发射率和红外光热转化效率受其表面基团及内部结构的影响,故不同pH下的凝胶表现出非一致的热屏蔽和光热转化能力。基于此,凝胶在信息加密和红外防伪等领域表现出出色的潜在应用价值。
5. MXene凝胶用于涂布/挤出打印及防伪
  上述研究工作以“Versatile MXene Gels Assisted by Brief and Low-Strength Centrifugation”为题发表在Nano-Micro Letters (2024, 16: 94,DOI: 10.1007/s40820-023-01302-3 )上,兰州化物所于伟燕助理研究员为该论文的第一作者,兰州化物所徐路研究员和烟台先进材料与绿色制造山东省实验室郝京诚教授为共同通讯作者。
  以上工作得到中国科学院高层次人才计划项目、兰州化物所特聘人才计划项目、山东省自然科学基金项目和烟台先进材料与绿色制造山东省实验室柔性引进项目的支持。
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