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安徽工程大學鄭賢宏副教授 JCIS:皮芯型異質結構石墨烯/MXene纖維氣凝膠用于持久高效電磁屏蔽和高溫隔熱
2022-08-16  來源:高分子科技

  過渡金屬碳化物/氮化物(MXene)由于其金屬性電導率、高比表面積、典型的層狀結構、優(yōu)異的分散性和高贗電容特性使得其在電化學儲能、電磁屏蔽、催化和傳感等領域具有廣泛的應用前景。然而MXene表面豐富的含氧官能團極易造成其在環(huán)境中吸濕而造成氧化降解和性能衰退,這是目前MXene材料商業(yè)化應用的重要瓶頸之一。文獻報道的抗氧化劑處理、共價交聯策略和聚陰離子包裹策略雖然可以在一定程度上提高其環(huán)境穩(wěn)定性,但是穩(wěn)定劑的加入一方面會惡化MXene材料的高導電性,還會影響MXene材料和其他材料的兼容性。因此,在不惡化MXene固有性能的前提下,通過合理結構設計開發(fā)高耐久性MXene基功能材料具有重大意義。



  近日,安徽工程大學鄭賢宏副教授團隊提出了一種高導電石墨烯包覆策略,基于此構筑了一種皮芯型異質結構石墨烯/MXene纖維氣凝膠,具有高效持久的電磁屏蔽性能、高疏水性、高導電性、高效油水分離特性和高溫隔熱性能。研究內容以“Interfused core-shell heterogeneous graphene/MXene fiber aerogel for high-performance and durable electromagnetic interference shielding”為題發(fā)表在中科院一區(qū)TOP期刊《Journal of Colloid and Interface Science》(影響因子:9.96)。


【一、皮芯型異質結構石墨烯/MXene纖維氣凝膠的構筑


  通過原位氫氟酸刻蝕法制備單分散MXene分散液,并將其作為芯層紡絲液,以氧化石墨烯分散液為皮層紡絲液,采用同軸紡絲法首先制備皮芯型氧化石墨烯/MXene膠體纖維,隨后通過濕法熔融組裝技術和冷凍干燥技術制備氧化石墨烯/MXene纖維氣凝膠,最后通過化學還原制備具有融合結構的皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠。制備的皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠具有高疏水、高導電、質地輕、孔隙率高的特點,可以用于電磁屏蔽和油水分離領域。 


1.皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠的制備及其應用


【二、纖維氣凝膠的表征


  制備的皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠具有優(yōu)異的壓縮性能和壓縮恢復性能,這主要是由于氣凝膠中纖維呈現“Y”形融合互鎖結構,進而賦予纖維氣凝膠較好的結構一致性,更有利于負載時應力的傳遞。此外,制備的纖維氣凝膠具有較高的電導率,可高達1450 S/m,接近于文獻報道的MXene基氣凝膠。氣凝膠中纖維呈現明顯的皮芯結構,芯層的MXene可以被9微米石墨烯皮層充分包覆,進而阻止MXene的吸濕氧化分解。 


2.MXene微觀結構表征、纖維可紡性、纖維氣凝膠壓縮性能和微觀形貌結構 


3.皮芯型石墨烯/MXene氣凝膠纖維SEM圖及EDS


【三、纖維氣凝膠的電磁屏蔽性能和機制


  皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠具有優(yōu)異的電磁屏蔽性能,其電磁屏蔽效能可高達83.3 dB,并且展現出以吸波為主的電磁屏蔽機制,可以充分減少電磁波反射作用帶來的二次污染。這種屏蔽機制主要歸因于內部的多次反射作用、導電損耗作用和極化損耗作用的協同作用。更重要的是,皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠具有優(yōu)異的電磁屏蔽耐久性,在放置120天之后,其電磁屏蔽效能僅下降17.4%,而對應的MXene膜電磁屏蔽效能下降33.7%,這主要來源于皮層石墨烯對MXene的保護作用。 


4. 皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠電磁屏蔽性能及其屏蔽機制


【四、纖維氣凝膠的油水分離性能


  皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠具有較好的疏水性,其水接觸角高達145.4°,并且對油和有機溶劑的吸附容量最高可高達40倍,在油水分離領域具有巨大的應用前景。 


5.皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠油水分離性能


【五、纖維氣凝膠的隔熱性能


  皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠較低的密度和較高的孔隙率,使其成為理想的保溫隔熱材料,其室溫導熱系數為0.052~0.066 W/m·K,接近于二氧化硅基氣凝膠(0.032–0.169 W/m·K,在高溫隔熱和人體熱量管理等領域具有廣泛的應用前景。 


6.皮芯型石墨烯/MXene纖維氣凝膠隔熱性能


  綜上所述,采用高導電石墨烯包覆策略,通過濕法熔融組裝技術和冷凍干燥技術制備的皮芯型異質結構石墨烯/MXene纖維氣凝膠,通過石墨烯的保護作用抑制MXene的吸濕氧化降解作用,并且制備的纖維氣凝膠具有優(yōu)異的導電性、高疏水性、高效持久的電磁屏蔽性能、高效油水分離特性和高溫隔熱性能。該項工作有助于進一步理解異質結構與MXene環(huán)境穩(wěn)定性的構效關系,也為構筑高耐久性MXene基功能材料提供了新思路和新方法。


  論文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979722013911


論文第一/通訊作者簡介

  鄭賢宏,男,工學博士,副教授,碩士生導師。美國The University of Texas at Dallas聯培博士,合作導師為美國工程院院士Ray Baughman教授。2019年6月入職于安徽工程大學,從事智能可穿戴器件的相關研究,主要包括柔性超級電容器、電磁屏蔽、應變和壓力傳感器等。在上述領域以第一作者/通訊作者在Journal of Materials Chemistry A、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Materials & Design、Journal of Colloids and Interface Science、Composites Part A等國際期刊發(fā)表SCI論文18篇,其中包括中科院大類1區(qū)SCI論文10篇,中科院大類1區(qū)ESI高被引論文1篇,1區(qū)SCI封面論文1篇,目前主持安徽省自然科學基金項目1項,擔任Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、ACS Nano、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Cleaner Production、Advanced Materials Interfaces、iScience等10余個國際SCI期刊兼職審稿人。

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