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青岛大学刘敬权教授《AFM》: 超稳定的Ti3C2T MXene基薄膜，有望实现大规模生产

文章来源：高分子科学前沿更新时间：2021-06-28 14:05:28

将纳米材料工业化处理成大面积的独立薄膜是实现其实际应用的关键，特别是在柔性电子领域，如电池、超级电容器和电磁干扰(EMI)屏蔽等领域。MXenes因其金属导电性、溶液可加工性和在能源存储等方面的优异性能而引起了人们的极大兴趣。原始的MXene薄膜由于其极性端基和层间相互作用较弱，经常存在较差的环境稳定性和力学性能。目前制备MXene薄膜已有的方法为刀片涂层方法，该方法能够实现纯MXene薄膜的规模化生产，同时提高了强度和导电性。虽然从纯MXene薄膜中可以获得这些良好的结果，但要实现MXene基薄膜的大规模生产，还需要开发替代的处理方法。

从应用角度来看，将Ti3C2Tx MXene组装成大面积的独立膜主要面临两个障碍，一方面是MXene材料在潮湿空气或水环境中不可避免地会在数天的时间内发生氧化和降解;限制了它们在现实世界中的存储和工业级应用，阻碍MXene薄膜应用。另一方面是相邻的MXene纳米片之间的层间相互作用较弱，使其具有较差的力学性能，如拉伸强度。此外，尽管通过退火处理的杂原子掺杂能够改善MXene的性能，但退火过程中表面基团的去除导致了疏水表面，使获得独立的MXene膜更加困难。因此，开发环境稳定、机械强度高、电化学性能优越、具有大规模生产工艺的MXene基膜是很有必要的。

鉴于此，青岛大学刘敬权教授和澳大利亚迪肯大学蒋德刚教授合作开发了一种新型的刀片涂层的方法，通过增加更大纳米片尺寸的还原氧化石墨烯(rGO)作为导电粘结剂，通过更强的片间π - π堆叠相互作用，实现了独立S, n共掺杂MXene基杂化膜的大规模生产。

文章亮点：

1、大尺寸氧化石墨烯薄片装载了小尺寸的S, N-MXene，在高粘度和良好流动性的水相均匀分散体系中，使复合薄片在叶片涂层过程中有序堆积。

2、制备的S, N-MXene/rGO (SNMG-40)薄膜的拉伸强度最高，为45 MPa，优于纯MXene膜的强度(10 ~ 20 MPa)，也可与大多数基于改性MXene的复合膜相媲美或更高。由于杂原子掺杂H2/Ar保护退火处理和rGO的层状组装，所合成的SNMG-40薄膜也显示出提高的电容(698.5 F cm-3)和增强的抗氧化能力(3万次充放电循环后电容保持率达到98%)。

3、实际应用,用rGO作为阴极和SNMG-40作为阳极组装全固态非对称超级电容器, 在功率密度为748.88 W kg-1时，其能量密度为22.3 Wh kg-1，在不同变形条件下具有良好的弹性。

图1薄膜制备过程

图2:柔性薄膜在超级电容器中的应用

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