新興的柔性電子極大地刺激了對多功能應(yīng)用中兼具高導(dǎo)電性和機械強度的結(jié)構(gòu)電極材料的需求。MXene基結(jié)構(gòu)材料具有高的力學(xué)強度和優(yōu)異的導(dǎo)電性，非常適合于多功能應(yīng)用。大分子聚合物的加入被證實有利于緩解純MXene薄膜的力學(xué)脆性。然而，大量絕緣大分子的插入不可避免地會降低它們的導(dǎo)電性。

近日，華南理工大學(xué)王小慧教授、倫敦大學(xué)學(xué)院何冠杰博士團隊受木材啟發(fā)，通過簡單的真空輔助自組裝工藝，制備了一種Ti3C2TxMXene-半纖維素（MXene-hemi）復(fù)合薄膜。在不引入大量絕緣相的情況下，可以顯著提高材料的力學(xué)性能。因此，MXene-hemi薄膜可以兼具高導(dǎo)電性（64300 S m-1）和高力學(xué)強度（125 MPa），使其能夠成為超級電容器和濕度傳感器的高性能電極材料。該工作提出了一種可用于多功能應(yīng)用的MXene基結(jié)構(gòu)材料的替代制造方法。

【制備和表征】

通過HCl/LiF溶液從MAX相（Ti3AlC2）中選擇性刻蝕Al層制備Ti3C2TxMXene。合成Ti3C2Tx納米片后，采用真空輔助過濾法制備了MXene薄膜。純MXene膜表現(xiàn)為無序松散的層狀結(jié)構(gòu)，層間距較大。MXene-hemi薄膜逐漸呈現(xiàn)出定向的、密集排列的層狀結(jié)構(gòu)，沒有明顯的縫隙，突出了半纖維素的重要性。

MXene-hemi薄膜中的MXene納米片更傾向于沿面內(nèi)方向定向排列。MXene-hemi薄膜的取向因子（0.47）略高于純MXene薄膜的取向因子（0.38），表明半纖維素的加入增強了微觀結(jié)構(gòu)的取向。XPS分析表明，MXene的Ti-C局部化學(xué)環(huán)境發(fā)生了改變，與極性基團（?O、?OH）形成了更多的相互作用。

半纖維素作為分子粘合劑可以增加界面相互作用，并將相鄰的MXene納米片緊密結(jié)合在一起，從而增強取向，減少層間間隙。



圖1 MXene-hemi復(fù)合膜的設(shè)計



圖2MXene-hemi和MXene薄膜的表征

【力學(xué)性能和導(dǎo)電性】

與MXene相比，半纖維素在200-800℃范圍內(nèi)的重量下降顯著。由計算可知，MXene-hemi2、MXene-hemi4、MXene-hemi6和MXene-hemi12的半纖維素重量百分比分別為1.5%、5%、7%和10%。XRD表明，隨著半纖維素含量的增加，大量的半纖維素分子嵌入到相鄰的MXene納米片中，增加了層間距。

MXene-hemi2的抗拉強度從66 MPa增加到125 MPa，是純MXene薄膜（19 MPa）的6.6倍。同樣，MXene薄膜的楊氏模量也隨著半纖維素含量的增加而增加。優(yōu)異的力學(xué)性能歸因于高度定向的微結(jié)構(gòu)和增強的分子相互作用。純MXene膜的電導(dǎo)率為361218 S m-1，當(dāng)半纖維素濃度為2 mg mL-1時，其電導(dǎo)率輕微降低至180676 S m-1，而在半纖維素濃度增加至12 mg mL-1后，仍可保持64300 S m-1的高電導(dǎo)率。

與其他報道的MXene基薄膜相比，MXene-hemi薄膜具有協(xié)同的高力學(xué)性能和高導(dǎo)電性，這是結(jié)構(gòu)電極的先決條件。



圖3 MXene-hemi復(fù)合膜的力學(xué)性能和導(dǎo)電性

【電化學(xué)性能】

以1M H2SO4為電解質(zhì)，在三電極結(jié)構(gòu)中評估了MXene-hemi薄膜的電化學(xué)性能。與純MXene薄膜相比，半纖維素的加入并沒有顯著地降低MXene-hemi薄膜的比電容，從GCD曲線也可以觀察到類似的結(jié)果。含有半纖維素的電極在低頻下表現(xiàn)出更高的相位角值和更低的時間常數(shù)，證明了更好的離子響應(yīng)和動力學(xué)。

親水性半纖維素可作為MXene納米片間的分子間隔劑，增加層間間距，有利于離子的傳輸。因此，MXene-hemi電極在高掃描速率下具有更好的倍率性能。此外，測量了MXene-hemi2、MXene-hemi4和MXene-hemi6電極的重量電容分別為366、355和350 F g-1。

與重量電容僅低17%（405 F g-1）的純MXene電極相比，MXene-hemi12電極保留了335 F g-1的高電容。因此，MXene-hemi電極也表現(xiàn)出了良好的高比電容和力學(xué)強度的結(jié)合，優(yōu)于其他報道的MXene基復(fù)合電極。



圖4 MXene-hemi薄膜電極的電化學(xué)性能

【濕度傳感器】

通過監(jiān)測MXene-hemi薄膜在不同相對濕度值下的電信號變化，研究了其濕度響應(yīng)特性。所有薄膜對相對濕度的變化都很敏感，在95%相對濕度時響應(yīng)值最大。此外，響應(yīng)值隨相對濕度線性增加，表明具有突出的敏感性。與純MXene膜相比，所有含半纖維素的膜均表現(xiàn)出更大的響應(yīng)。

特別是MXene-hemi2膜在相同條件下表現(xiàn)出最高的響應(yīng)值。MXene-hemi2膜的響應(yīng)和恢復(fù)時間分別為100 s和240 s。此外，演示了MXene-hemi2薄膜用于檢測口鼻呼吸。從曲線上可以清楚地區(qū)分呼吸類型和呼吸頻率。XRD結(jié)果表明，大量的水分子作為相對濕度的函數(shù)被吸收到相鄰的MXene納米片中，導(dǎo)致薄膜層間距和電阻的增加。

與純MXene膜相比，吸濕半纖維素的插入增加了復(fù)合膜的層間距，同時增強了水分子的捕獲能力。而半纖維素含量越高，捕獲的水分子越多，相應(yīng)的響應(yīng)時間越長，因此，MXene-hemi2薄膜具有最高的靈敏度和最快的響應(yīng)速度。



圖5 MXene-hemi薄膜的濕敏響應(yīng)

【小結(jié)】

總之，該研究受木結(jié)構(gòu)從分子到宏觀層面的啟發(fā)，展示了一種具有協(xié)同高力學(xué)性能和高導(dǎo)電性的半纖維素插層MXene薄膜，可作為結(jié)構(gòu)超級電容器和濕度傳感器的電極。力學(xué)性能的顯著增強是由于在微觀水平上取向的改善和在分子水平上界面相互作用的增加。

此外，與其他大分子聚合物不同的是，半纖維素是短鏈的且聚合度低，提供了在不引入大量絕緣相的情況下將MXene納米片固定到堅固材料中的可能性。此外，利用半纖維素的吸濕性，復(fù)合膜還表現(xiàn)出良好的濕度響應(yīng)性能。該工作為制造用于多功能電子的MXene基結(jié)構(gòu)材料提供了一種替代策略。

審核編輯：劉清