Wang YR抗菌科技圈
第一作者：Bin Li
通訊作者：劉久榮，曾志輝，Na Wu
通訊機關：山東大學，山東大學，蘇黎世聯邦學院
研究速覽：
近期，山東大學劉久榮和曾志輝教授聯合蘇黎世聯邦理學院Na Wu團隊在ACS NANO上發表了雙連續、高強度、多功能化學交聯MXene/超取向碳納米管薄膜的研究工作。本研究制備了具有雙連續結構的輕、薄、大面積、超柔性化學交聯MXene/超取向碳納米管複合膜。該薄膜具有較高的機械強度、良好的導電性、疏水性和氧化穩定性，以及包括電磁幹擾(EMI)屏蔽、電熱轉換和光熱抗菌性能在内的可穿戴多功能。在8 ~ 28 μm厚度範圍内，實作了24 ~ 70 dB的X波段電磁幹擾屏蔽效能，在8.2 ~ 40 GHz超寬帶頻率範圍内，實作了60 dB以上的屏蔽效能。表面特定屏蔽效能達到了122368 dB·cm2·g−1，顯著優于其他典型的屏蔽材料。該薄膜具有良好的電和光熱性能，具有高效的除冰和抗菌能力。結合高效和可擴充的制備方法，多功能可穿戴雙連續薄膜在可穿戴裝置、國防、抗菌和物聯網方面顯示出巨大的應用潛力。
要點分析：
要點一：
由于超取向碳納米管之間的低接觸電阻，超取向碳納米管薄膜顯示出良好的導電性。MXene薄片在這種高導電性多孔超取向碳納米管骨架上的有效滲透導緻雙連續膜的高導電性，進而能夠宏觀表達MXene和碳納米管的固有電磁幹擾屏蔽能力。
要點二：
由于增強了界面互相作用，MXene薄片的高效化學交聯顯著提高了C-MXene/SA-CNT雙連續複合材料的機械強度，以及疏水性、氧化穩定性和耐久性。
要點三：
C-MXene/SA-CNT雙連續複合材料具有良好的電熱和光熱轉換性能，表明C-MXene/SA-CNT薄膜在多功能柔性器件中具有良好的應用前景。
圖文導讀
圖1. C-MXene/SA-CNT薄膜制備工藝示意圖。
圖2. C-MXene/SA-CNT薄膜的表征和宏觀性能。（a）SA-CNT膜的SEM圖像。（b） MXene薄片的TEM（插圖顯示電子衍射圖像）和（c）AFM（插圖顯示單層的高度分布）圖像。（d）SA-CNT膜和（e）C-MXene/SA-CNT膜的2D SAXS圖案。（f）SA-CNT膜和（g）C-MXene/SA-CNT膜的對應方位積分強度分布曲線的2D WAXS圖案。（h） 側視圖SEM圖像和C-MXene/SA-CNT膜的C、Ti和N元素映射。（i）C-MXene/SA-CNT薄膜的大面積照片。（j）C-MXene/SA-CNT薄膜的照片顯示了超柔韌性，包括可彎曲性、可滾動性、可扭轉性和可折疊性。（k）保持200g重量的15mg C-MXene/SA-CNT膜的照片。
圖3. C-MXene/SA-CNT薄膜的性能和結構表征。（a） C-MXene/SA-CNT、MXene-SACNT和SA-CNT薄膜在平行方向上的壓力−應變曲線和（b）平行方向上相應的強度和楊氏模量。（c）C-MXene/SA-CNT和MXene-SA-CNT的接觸角。（d）C-MXene/SACNT和MXene-SA-CNT薄膜在水中超聲處理30分鐘後的照片，顯示C-MXen/SA-CNT膜是防水的。（e）C-MXene/SA-CNT和MXene薄膜的Ti2p譜。（f）C-MXene/SA-CNT和MXene-SA-CNT薄膜的O 1s光譜。（g）C-MXene/SA-CNT、MXene-SA-CNT，MXene和SA-CNT薄膜的FTIR曲線。
圖4. C-MXene/SA-CNT薄膜的EMI屏蔽性能。（a）不同厚度的SA-CNT薄膜在垂直（Pr-SE，Pr-σ）和平行（Pa-SE，Pa-σ）方向上的EMI-SE和電導率。具有不同MXene含量的C-MXene/SA-CNT膜在（b）垂直和（C）平行方向上的X波段中的EMI SE。（d）10 GHz下的EMI屏蔽性能（SET、SEA和SER）以及C-MXene/SA-CNT薄膜在垂直方向上的電導率。(e)不同MXene含量的C-MXene/SA-CNT (5 μm)膜的EMI、SE和SSE。（f）具有45wt%MXene的C-MXene/SA-CNT薄膜各層的EMI SE。（g） 在95%RH環境和60°C溫度下，SA CNT基薄膜的EMI SE和電阻随時間變化。（h） 在各種溶劑中浸泡7天和以0.5Hz的彎曲速度進行5000次循環彎曲（彎曲角度θ=30°）并軋制後，薄膜的X波段EMI SE。（i）實驗測試了C-MXene/SA-CNT薄膜超寬帶頻率範圍内的EMI SE，與均勻屏蔽的理論計算EMI SE進行了比較。
圖5. EMI屏蔽機理和性能比較。（a）C-MXene/SA-CNT薄膜的EMI屏蔽機理。報道了C-MXene/SA-CNT薄膜與典型屏蔽的EMI屏蔽性能比較。（b）EMI SE和強度, 以及（c）具有不同厚度的SSE值。
圖6. C-MXene/SA-CNT薄膜的光電性能和抗菌應用。（a）薄膜在不同電壓下的電熱曲線（插圖顯示了紅外熱像）。（b）在1.2V的超低電壓下對薄膜進行24小時的穩定性測試（插圖顯示了紅外熱像）。（c）薄膜和典型商用金屬基加熱器的平衡溫度與輸入功率密度曲線。電熱除冰過程：（d）薄膜未施加電壓和電壓為2.4 V。薄膜的光熱曲線（e）在不同光功率密度下，（f）在光開/關循環下，（g）在逐漸增加的光功率密度（插圖顯示紅外熱圖像）下，以及（h）不同MXene含量在50 mW/cm2功率密度下氙燈照射下。（i） 不同MXene含量的薄膜的平衡溫度與輸入功率密度曲線。（j）作為可穿戴智能加熱器的膠片的照片和紅外熱像。C-MXene/SA-CNT薄膜（k）無光和（l）有光照射（綠點代表活細菌，紅點代表死細菌）對大腸杆菌的典型抗菌性能。
結論
通過一種簡單、可擴充的制備方法，制備出了由超取向的碳納米管膜和化學交聯的MXene薄片組成的薄、輕、超柔性和超強度的C-MXene/SA-CNT雙連續薄膜。合理的組成和微觀結構設計使薄膜具有較高的導電性、良好的機械強度、疏水性、防水性能和氧化穩定性。由于超取向的碳納米管、交聯的MXene片、雙連續和多孔結構以及超取向碳納米管與MXene之間豐富的界面，獲得了良好的電磁屏蔽性能。該薄膜在機械變形和各種溶劑作用下屏蔽EMI的穩定性和可靠性進一步增強了其耐用性。此外，MXene與SA-CNT的協同作用使薄膜具有良好的電熱和光熱性能，是柔性智能自熱器件。該薄膜具有良好的加熱性能，包括在0.6 ~ 2.4 V的超低電壓下的電熱效應，以及在低光功率密度下快速、突出、可重複和穩定的光熱。這使其成功應用于高效自熱除冰和光熱抗菌。考慮到高效和可擴充的制造方法，輕量化和超柔性的C-MXene/SA-納米碳納米管薄膜具有超高的電磁屏蔽性能以及良好的電熱和光熱性能，在國防、航空航天和下一代柔性電子等領域具有廣闊的實際應用前景。
全文連結：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08678
參考文獻：Bin Li, Yunfei Yang, Na Wu,* Shanyu Zhao, Hao Jin, Guilong Wang, Xinyang Li, Wei Liu, Jiurong Liu,*and Zhihui Zeng*. Bicontinuous, High-Strength, and Multifunctional Chemical-Cross-Linked MXene/Superaligned Carbon Nanotube Film. ACS NANO.2022.
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