二维导电纳米复合材料的制备及其性能研究

二维导电纳米复合材料的制备及其性能研究新型二维纳米材料(石墨烯和MXenes)具有由尺寸效应带来的优异物化性能,目前已在众多领域展现出广阔应用前景。为有效利用石墨烯和MXenes本身纳米尺度上优异性能以满足相关领域具体使用要求,利用逐渐兴起的组装技术,将微观尺寸的纳米片层组装成具有宏观尺寸的功能结构(如一维纤维、二维薄膜、三维气凝胶)无疑是一种最为有效的方法。通过对二维纳米材料组装体进行合理的结构设计和形貌调控,不仅能够更好地利用纳米材料本身优异的电学、光学和力学等性能,而且还能开发材料新的功能特性并拓展其应用范围,因此,研究二维纳米材料的组装策略并以此制备宏观功能材料对实现二维纳米材料实际应用具有重要意义。

本论文针对MXenes和石墨烯宏观组装体制备和使用时仍存在的难点和性能缺陷,如石墨烯薄膜在作为电磁屏蔽材料时屏蔽机制单一、MXenes材料在潮湿环境中易降解、MXenes二维宏观薄膜导电与力学性能难以兼顾以及MXenes三维宏观组装结构难以形成等问题,通过提出新的结构设计思路和组装策略,设计出轻质磁性多孔石墨烯二维薄膜、高强高导电二维MXene薄膜、低密度疏水二维MXene 泡沫薄膜以及低密度、超弹性MXene三维气凝胶,并系统研究其结构与性能关系。本论文主要内容和创新成果如下:(1)针对目前石墨烯薄膜作为电磁屏蔽材料时屏蔽机制单一且性能提高困难的问题,我们采用高效的肼蒸汽还原诱导发泡工艺制备轻质、导电且具有磁性的石墨烯/羰基铁多孔薄膜并研究其超宽频段电磁屏蔽性能。通过引入适量壳聚糖作为界面粘接剂来增强还原氧化石墨烯纳米片之间的层间相互作用,稳固体系内多孔结构,优化宏观组装材料表观形貌和内部结构;利用导电组分和磁性组分对电磁波损耗的协同效应,将磁性片状羰基铁引入到导

电的多孔石墨烯网络中以丰富材料对电磁波损耗机制,进一步提升材料的电磁屏蔽性能。

我们制备的轻质、高导电石墨烯薄膜,可在密度为0.12 g/cm3时,电导率达到2000 S/m以上,当样品厚度为0.3 mm时,在8.2-59.6GHz的较宽频段范围内展现出高于38dB的屏蔽效能。此外,我们还对壳聚糖的引入对薄膜内部多孔结构的影响以及磁性颗粒的引入对材料电磁屏蔽性能的影响进行系统研究。(2)MXene 材料以其亲水性和高导电能力而著称,然而Ti3C2Tx MXene材料水中和潮湿环境里易降解仍是严重制约其实际使用的关键问题;为此,我们首次提出一种制备轻质、疏水的自支撑Ti3C2TxMXene泡沫薄膜的工艺。

与传统的亲水且高密度的MXene材料相比,本实验中制备的MXene泡沫薄膜具有疏水且轻质的不同于以往的新特性,并且我们进一步系统分析发泡机理和材料表面润湿特性变化的原因,制备的MXene泡沫薄膜展现出优异的耐水性和对有机污染物的选择性可循环吸附能力。更为重要的是,由于MXene泡沫薄膜具有良好的导电能力和多孔结构,经过结构调控,与其未发泡的MXene薄膜相比,材料在发泡后屏蔽性能可大幅提高,可在密度为0.22 g/cm3、厚度为60 μm时,屏蔽效能达到70dB。(3)针对MXene宏观三维多孔自组装结构难以构筑的问题,通过引入水溶性预聚物,成功获得了高性能MXene三维组装体。

制备的低密度、超弹性且导电可调的多功能MXene/聚酰亚胺(PI)复合气凝胶在许多应用方面体现出较大优势。我们系统研究了 MXene/PI复合气凝胶的力学性能,包括压缩性能和拉伸性能;气凝胶展现出极佳的压缩可回弹能力,压缩应变高达80%时仍可回复原状,耐疲劳,在50%应变时可稳定循环压缩1000次以上而未见气凝胶结构明显损坏;此外,气凝胶还展现出可循环拉伸的能力以及极好的

力学柔韧性。基于气凝胶的导电特性,研究气凝胶的吸波性能、应变感应能力以及绝热性能,在气凝胶厚度为3mm的时候,反射损耗最低可在9.59 GHz处达到-45.4 dB,对电磁波有效吸收波段宽度可达3.7 GHz,几乎覆盖整个军用雷达常用的X波段;当样品厚度为2mm时,反射损耗最低可在15.28GHz处达到-25.3dB,有效吸收波段宽度可达5.1 GHz,优于目前文献报道的几乎所有的MXene基吸波材料。

(4)针对MXene二维自组装薄膜力学性能仍需提高、引入聚合物增强时力学性能与导电性能难以兼顾的问题,通过引入富含含氧官能团的氧化石墨烯(GO)作为粘接剂以丰富纳米片层之间的连接作用,成功获得兼具高强度和高导电的MXene-GO薄膜,实现对MXene二维薄膜有效增强的同时保留其高导电特性。薄膜在GO含量为10 wt%时,拉伸强度可被提高至63.7MPa,相比于未增强薄膜提高了175%,此时电导率仍高达263883 S/m;当GO含量提高到50 wt%时,MXene薄膜的拉伸强度可达209 MPa,提高了 801%,且增强后薄膜电导率仍保持在46165 S/m 的高水平。经由GO改性的薄膜,力学性能大幅提升,可随意弯曲且耐折叠,且优异的导电能力使其具有极佳的电磁屏蔽性能。