维拉诺瓦大学李波教授团队等 Nat. Commun.：一种简单有效的聚合物表面制备MXene涂层新方法

2024-12-05 来源：高分子科技

MXene是一类二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物。因其卓越的电学、热学和光学性能，以及亲水的表面性能，在水溶性功能涂层方面具有广阔的应用前景。如何充分发挥MXene优异的功能性，很大程度上取决于聚合物的性能。比如MXene的热稳定性大大高于聚合物，因此聚合物的熔点或者玻璃化转变温度实际上限定了MXene涂层的使用上限。为了实现MXene的应用潜能，往往需要将衬底材料扩展到具备优异的力学和热学性能的高性能聚合物。然而大多数的高性能聚合物的表面偏疏水或者具有化学惰性，因此不能和MXene形成稳定的界面。即使MXene沉积到了这样的聚合物表面，水分子也能够轻易的扩散到MXene-聚合物界面从而把MXene从聚合物的表面剥离开。之前的研究者们试图通过聚合物的表面处理/修饰，比如等离子体处理或化学修饰，来改善MXene-聚合物界面。但是这些表面处理/修饰有可能破坏聚合物或者MXene的性能，从而降低MXene-聚合物复合材料的性能。本研究展示了一种普适的盐辅助组装方法（Salt-Assisted Assembly），可在各种聚合物表面上沉积超薄、均匀的MXene (Ti₃C₂T_x)涂层。这些涂层具有优异的机械稳定性和可洗涤性。将MXene涂覆在凯夫拉织物上，可以实现在极热（400摄氏度）和极冷（-70摄氏度）环境下的焦耳加热和热伪装的双功能应用。该研究可能为太空行走、火星探索、极地冒险等极端环境下的人员和设备的提供低能耗且轻薄贴合的保护。

图1 盐辅助MXene在聚合物基底的组装

近期，Villanova University机械工程系的李波（Bo Li）教授团队联合Drexel University的 Yury Gogotsi 和Temple University的刘岭团队开发了一种简单有效的在疏水或具有化学惰性的聚合物表面制备MXene涂层的方法。该方法通过在MXene溶液中加入微量的可溶于水的盐来屏蔽MXene表面部分负电荷使MXene表面更加疏水，从而促使其组装在聚合物表面（图1a）。这种MXene涂层展现出均匀平整的形貌（图1b），并且能在实现超薄涂层(132 ± 40 nm)的同时，发挥MXene优异的导电性能(20500 S/cm)。同时，该方法适用于不同的高性能聚合物（图1c），并可以实现涂层的大尺度制备（图1d）。该团队利用分子动力学模拟证实了这种盐辅助MXene在聚二甲基硅氧烷（PDMS）上的沉积（图2）。与此同时，团队发现不同的盐可以调节组装速度和组装的结构（比如层间距）（并且可能赋予MXene涂层新的性能（图3）。最后，利用高性能聚合物的优异耐热耐低温能力，团队验证了极端环境下MXene涂层的热伪装和焦耳加热的应用（图4）。该工作以“Universal salt-assisted assembly of MXene from suspension on polymer substrates”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2024, 15, 10027）。文章第一作者为Villanova University博士生赵亮，共同第一作者为Drexel University博士生毕令怡和Temple University博士生胡嘉玥。该研究得到多项美国NSF基金的支持。

图2 组装机理的分子动力学模拟

图3 盐的种类对MXene组装的影响

图4 MXene涂层的热管理应用

该团队近些年在纳米材料的高效组装方面取得了一系列进展。由于研究需要，Villanova University 李波教授课题组拟在纳米材料组装领域招聘一名博士生（2025年秋季入学，全奖）诚挚欢迎对该领域有浓厚兴趣的优秀学生加入。感兴趣的同学可以直接联系李波教授 (bo.li@villanova.edu)。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-53840-y

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（责任编辑：xu）

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