苏大邵元龙课题组: 协同实现高效离子、电子传导MXene纤维

2021-05-05 15:50    来源:小材科研

苏州大学邵元龙课题组采用湿法纺丝中微流体控制及牵伸速率诱导Ti3C2Tx片层定向堆积,组装高度取向二维通道结构,并通过Mg2+离子交联,制备具有优异机械性能、离子传导和电子传导的取向Ti3C2Tx纤维,同时展现出更高的体积存储容量。为未来高性能、低成本纤维型可穿戴电子器件的发展带来了广阔前景。

近年来,限域空间纳米流体传质领域取得显著进展。特别是一维碳纳米管以及二维纳米结构组成尺寸均一的纳米及次纳米尺度离子,孔隙内部微观结构和表面化学特性更为可控,是制备高功率纳米流体离子导体的理想材料结构体系。除此以外,通过孔道表面修饰功能化分子,纳米流体离子通道被赋予了更多的功能和响应特性。随着越来越多的二维材料的发现,各种二维材料(如沸石、金属有机框架、石墨烯及其衍生物等)在不同领域的应用得到广泛关注。受自然界独特的微观结构的启发,将二维材料通过简单的湿法纺丝重新组装成具有纳米尺度间隙的纤维结构。重组后形成的二维材料层与层之间的限域空间可以充当分子和离子运输的二维通道。

Ti3C2Tx作为二维材料MXene中发展最成熟的材料之一,具有很多与氧化石墨烯结构类似的薄层二维结构,丰富的表面官能团以及极性溶剂高分散等特性,还具有氧化石墨烯不具备的高导电性,是制备高导电纳米流体纤维的理想材料。但是由于Ti3C2Tx较大的长径比以及柔性片层结构,在湿法纺丝过程中片层易褶皱、堆叠,造成结构缺陷,显著降低纤维力学、导电特性,阻碍离子在纤维结构内部传导,从而制约了Ti3C2Tx纤维在传感、储能、制动等多功能方面的应用探索。Ti3C2Tx分散液在外界剪切力作用下,可形成定向液晶结构,可借助湿法纺丝过程形成二维片层的取向排布结构。邵元龙教授课题组借助这一原理,控制湿法纺丝过程的喷丝口断面结构以及牵伸速率,诱导Ti3C2Tx片层形成取向结构,并通过Mg2+离子交联作用,最终制备得到具有高取向度结构的Ti3C2Tx纤维,实现力学性能,导电性能,离子传导性能以及电化学性能的提升。

该工作为纤维型可穿戴领域供了借鉴和参考。相关研究论文在线发表于ACS Nano(DOI:10.1021/acsnano.1c02271),题为“Assembly of Nanofluidic MXene Fibers with Enhanced Ionic Transport and Capacitive Charge Storage by Flake Orientation”。苏州大学硕士研究生李硕是论文的第一作者,Richard B. Kaner教授,邵元龙教授为通讯作者。

来源:苏州大学

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