Sci. Adv. ｜梳状聚合物+MXene：兼容的高分散性

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研究摘要

二维（2D）纳米材料的的液相制备过程对于柔性多功能器件的低温大面积组装是至关重要的。MXenes，2D材料家族中一颗冉冉升起的新星，主要由过渡金属碳化物、碳氮化物或氮化物组成，通过液相制备能够实现杰出的电学性质与电化学性能。近日，韩国成均馆大学Sae Byeok Jo教授与延世大学Jeong Ho Cho教授研究团队在《Science Advances》发表最新成果，通过在MXene的液相制备过程中，引入一种聚合的超分散剂（superdispersant）实现MXene纳米片的高效制备。聚羧酸乙醚（PCE），梳状聚合物（comb-type）分离的“锚-支柱结构”在MXene范德华表面为聚合物提供了接枝空间，因此明显地减弱了胶体相互作用（103数量级）。Ti3C2Tx MXene表现出了前所未有的分散性，在极性、非极性甚至离子溶剂中均能够实现良好的分散性。此外，MXene@PCE复合膜中PCE紧密的负载，使其在长时间的机械和湿度应力下均可以保持高度的稳定性。

图文导读

图1. 形貌与结构表征：A）梳状PCE的化学结构；B）MXene@PCE杂化表面示意图；C 纯相MXene、质量分数为30%的MXene@PCE与PCE的Ti 2p，O 1s与F 1S的高分辨XPS光谱；D）30 wt% MXene@PCE的高分辨TEM图像；E）三种样品的XRD图谱。

图2. 在离子溶剂中的分散特性：A）紫外-可见-红外吸收光谱；B）在不同离子溶液中的750 nm处的吸光率；C）三种样品的库伦分布；D）MXene@PCE的平均尺寸与生长速率。

图3. 在有机溶剂中的分散特性：A）MXene与30 wt% MXene@聚合物在不同极性与非极性溶剂中的分散情况；B）MXene与30 wt% MXene@PCE相对吸光率的动态跟踪；C）MXene@聚合物溶液Avrami沉淀速率的降低。

图4. EMI屏蔽性能与稳定性测试：A）EMI屏蔽效率；B）MXene与MXene@PCE的屏蔽、吸收与发射机制；C）弯曲测试复合膜的标准化屏蔽效率；D）在一定条件下MXene@PCE的湿度稳定性。

总结

在本文中，向MXene引入了梳状的PCE，形成MXene@PCE复合物，其中，PAA紧密地锚定在MXene表面，而柔性的PEG嵌段以半稀释接枝的形式提供空间间距，以屏蔽从表面耗散1nm的强范德华相互作用。得到的复合物具有较宽的Hildebrand溶解度窗口，从48 MPa0.5（水）到18.5 MPa0.5（氯仿），在不同的极性、非极性与低沸点的有机溶剂中具有较好的性能。由于屏蔽效应，MXene@PCE胶体的沉淀表想出了减弱的Avrami过程，在非极性有机溶剂中聚集的可能性被降低了103数量级。PCE进一步促进了在不同高浓度离子溶剂中的分散，包括酸、碱以及人造海水等，证明梳状设计的PCE的确是独一无二的分散材料。此外，与聚合物的复合导致了MXene@PCE复合膜表现出在机械与湿度应力下优异的电磁屏蔽性能。值得注意的是，聚合物成分的存在导致了最终材料与器件一定的性能损失，比如电子导电性。根据应用场合的不同，这些方面在实际应用中可能是有害的，因此，应将其视为关键参数之一，以权衡聚合物复合物的独特优势，比如简单的液相制备与改进的力学稳定性等。有关最小化分散剂成分并开发合适的后处理方法的进一步研究，对于获得更好的聚合物辅助的分散方法是有利的。基于本文的研究，为利用MXene是的多元化加工开启了一扇新的大门，以满足更广泛的应用需求。

文献链接

DOI: 10.1126/sciadv.abl5299

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