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基于此，西安交通大學王洪教授團隊開發(fā)了一種具有金屬特定導電性和高強度的高性能多功能 MWCNT 薄膜（圖1）。這些MWCNT薄膜通過浮動化學氣相沉積法合成，在高溫下退火純化并用濃 HCl 處理，最后使用氯磺酸（CSA）進行處理增強其拉鏈效應而使薄膜的結構致密化。由于多壁碳納米管的致密晶體結構，文章中制備的大尺寸薄膜表現(xiàn)出高電磁干擾屏蔽效率、高熱電功率因數(shù)和高載流量性能，具有廣闊的實際應用前景。該論文以“Acid enhanced zipping effect to densify MWCNT packing for multifunctional MWCNT films with ultra-high electrical conductivity”為題發(fā)表在Nature Communications上。

MWCNT薄膜的設計和制備

作者通過退火和濃鹽酸處理去除制備出的MWCNT薄膜的不導電的無定形碳和金屬氧化物，從而有效的提升了薄膜的導電性。然后為了MXCNT擁有更致密的結構和更高的結晶度，作者采用CSA進行了進一步處理。在CNT纖維中，CNT在用CSA處理后會帶電荷，CSA擁有許多正負位點，這些電荷位點通過庫侖力增加了兩個CNT之間的相互作用。因此，庫侖力與范德華力的協(xié)同作用使得CNT進行高度堆積。致密化的薄膜擁有更薄的厚度以及更高的導電性，CSA-MWCNT的σ⊥比原始MWCNT高約兩個數(shù)量級。此外本中MWCNT中最大的σ||比文獻報道出的純CNT和CNT膜高約10-20倍。σ||和σ⊥的顯著增強歸因于拉鏈效應導致的MWCNT的密集堆積，由于液體的壓縮效應會將CNT拉在一起產生密集堆積。對于CSA-MWCNT薄膜，MWCNT 在CSA蒸發(fā)期間通過范德華力聚集在一起。此外，CSA是一種強酸，具有高吸濕性，它會使 MWCNT極化并去除 CNT 管周圍的水分子以增加兩個MWCNT之間的相互作用。

圖1 MWCNT薄膜的制備過程和基本性能表征

MWCNT薄膜的性能與應用

MWCNT薄膜優(yōu)異的導電性能讓其在電磁屏蔽領域具有巨大的應用潛力。經過測試MWCNT薄膜的SSE值按SSE(CSA-MWCNT) > SSE(HCl-MWCNT) > SSE(annealed-MWCNT) > SSE(pristine-MWCNT)的順序排列，其中最大SSE值為SSE(CSA-MWCNTs)=~85 dB/μm，通過對比發(fā)現(xiàn)SSE(CSA-MWCNTs) 的電磁屏蔽性能比目前報道的最先進的石墨烯薄膜、MXene 薄膜，甚至金屬薄膜等高約1.2-4.0 倍。此外，該薄膜在熱電領域也有較大的應用潛力。不同薄膜的Seebec系數(shù)順序為 S||(pristine-MWCNT) > S||(annealed- MWCNT) > S||(HCl-MWCNT) > S||(CSA-MWCNT)。通過研究CSA-MWCNT 薄膜在熱電發(fā)電機(TEG)中的應用表明，當在~5 K的溫差下用手握住時，它可以產生1.2 mV的輸出電壓（圖 2f）。在60 K的溫差下，TEG可以產生短路電流和開路電壓分別為~0.4 mA和~13.1 mV。此外，擁有高σ||的CSA-MWCNT薄膜在高載流量導體的也擁有較好的應用潛力。圖 2i 表明，一塊長度約為30毫米、寬度約為1毫米的CSA-MWCNT薄膜可以用作燈絲產生白光，表明 CSA-MWCNT 薄膜具有高載流量和良好的熱穩(wěn)定性。

圖2 MWCNT薄膜的電磁干擾屏蔽、熱電和安培性能表征

最后，CSA-MWCNT 薄膜的也展現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能。CSA-MWCNT薄膜沿纏繞方向的拉伸強度經測量約為2 GPa，比原始 MWCNT 薄膜高約8倍（圖 3b）。CSA-MWCNT在垂直于纏繞方向的抗拉強度方向也增加了約16倍。在平行和垂直于纏繞方向的方向上增加的抗拉強度證明了CSA-MWCNT中兩個碳納米管之間相互作用的增加。

圖3 MWCNT薄膜的機械性能和穩(wěn)定性表征

總結：在本文中作者開發(fā)了一種新型的 MWCNT 薄膜具有的超高電導率以及較好的機械性能。這種薄膜在大面積制備以及柔性電子器件中的應用具有巨大的潛力。