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對石墨烯取而代之，掀起高分子功能應用新高潮？—高分子/MXene納米復合材料綜述

文章來源：高分子科學前沿更新時間：2020-03-03 09:32:07

Gogotsi（新二維材料MXene之父）2011年之前一直致力于由SiC刻蝕制備高性能硅基二維材料，同時一直期望層狀材料MAX相陶瓷的二維化，結果在2011年發展MAX相材料的鋰電正極應用時，其學生Nguib偶然通過HF刻蝕Ti3AlC2獲得了這個目前很年輕的二維材料MXene，就是下面這個樣子（圖1），與薯片狀或者手風琴狀極為相似。其中“MX”是指其來源于MAX陶瓷（其中A層元素被刻蝕掉了），“exe”指其有類似石墨烯的納米片層結構。MXene具有近金屬的電導率（報道高的達9880S/cm），同時結合了優異的親水性，這克服了石墨烯一被氧化或表面改性就嚴重喪失導電能力的缺陷，因此MXene受到了各國研究者熱烈“追捧”。

圖1 2D MXene微觀層狀形貌

將MXene與高分子復合就是其中重要的研究熱點之一。中科院寧波材料所虞錦洪研究員和中北大學陳曉勇副教授合作系統總結了自MXene發現以來在高分子納米復合材料領域的研究，相關論文以“MXene/Polymer Nanocomposites: Preparation, Properties, and Applications” 為題，發表在《Polymer Reviews》上。

圖2 MXene/高分子納米復合材料濕法共混與薄膜成型

論文在簡短總結MXene性能與制備后，作者們介紹了MXene/高分子復合材料的制備技術和主要路線，發現當前濕法機械混合和原位聚合是制備高分子/MXene納米復合材料的主要方法；MXene加入高分子后，能顯著改善高分子的力、熱和電等諸多方面性能；如MXene/PVA能穩定支撐起超過其自身重量15000倍的物重；加入0.15% MXene即可使透波的PVA具有高達28dB的電磁屏蔽效能；加入1.7%的MXene可以使PAM的電導率提升好幾個數量級。

在論文的最后部分，作者們重點介紹了該復合材料在生物醫療、傳感、電磁屏蔽和能源方面的應用。該文展示MXene/高分子復合材料具有優良的光熱、殺菌、溫敏特性，在腫瘤熱滅殺、抗菌領域效果顯著。MXene/高分子復合材料在柔性傳感領域也有廣泛報道，能非常敏感的傳感壓力、溫度、VOC和濕度等環境、人體生理指標，傳感壓力最低可達1Pa，循環使用次數高達上萬次。在能源領域，MXene/高分子復合材料可在轉換、吸附、儲存都多個涉能環節應用，特別在超級電容器方面應用突出，具有極高體積密度。由于高的電導率和層次結構，MXene/高分子復合材料在電磁屏蔽和吸附方面的工作最為突出，在45um厚度的MXene/海藻酸鈉體系中，電磁屏蔽效率高達92dB，是合成材料中最高的電磁屏蔽材料，遠遠優于銀、銅的電磁屏蔽性能。