具有高机械强度和优异导电性的MXene 基结构材料在电化学能源存储、光电子及电磁屏蔽等多种重要领域具有广泛的应用前景。但是单一的MXene薄膜由于缺乏层间相互作用而具有机械脆性的缺点，这严重限制了其在结构材料领域中的应用。大分子聚合物的掺入已被证实有利于缓解MXene 薄膜机械脆性的缺陷。然而，大量绝缘大分子的嵌入在增加机械性能的同时不可避免地在MXene片层间引入大量的绝缘相，这严重损害了复合膜的导电性。因此如何在增加MXene复合膜机械性能的同时保持MXene的高导电性成为了该领域一直以来的挑战。

近日，伦敦大学学院何冠杰博士和华南理工大学王小慧教授合作在ACS Nano上发表了仿生MXene-半纤维素复合膜及多功能电极应用的研究。作者受木材启发，将短链半纤维素（低聚木糖）作为分子粘合剂引入到 MXene 纳米片间。这种小分子半纤维素在显著提高机械性能的同时而不引入大量绝缘相。因此，MXene-半纤维素复合薄膜可以同时兼具高导电性（64,300 S m^-1）和高机械强度（125 MPa），进而探究了复合膜可作为结构电极在超级电容器和湿度传感器中的应用。

图1. (a) 仿生MXene-半纤维素复合膜制备示意图. (b) MXene-半纤维素复合膜与其他报道的MXene复合膜比较. (c) MXene-半纤维素复合膜展示.

在自然界中，进化选择压力促使天然材料从分子到宏观水平优化其结构以适应复杂多变的环境条件。例如，作为一种丰富的自然资源，木材因其优异的机械性能和复杂的层次结构而被广泛用作工程材料。在微观层面上，木材的细胞壁由包裹在无定形木质素-半纤维素基质中的定向纤维素原纤维组成（图 1a）。在分子尺度上，具有丰富侧链和极性基团的半纤维素可以通过氢键和偶极-偶极相互作用作为木质素和纤维素界面的桥梁，从而提高整体的相容性。因此，这种微观水平的定向结构和分子水平上的半纤维素功能使木材具有优异的机械强度和韧性。基于半纤维素在微观层面和分子水平的作用，作者通过在MXene层间引入小分子半纤维素（低聚木糖）作为分子粘合剂，实现具有优异机械性能和高导电的MXene复合膜。

图2. MXene复合膜结构和界面作用力表征

通过电镜和广角XRD表征发现，半纤维素引入后，大幅度减小了MXene复合膜中的结构缺陷。在微观尺度上增加了MXene的结构取向。XPS分析表明，半纤维素极性基团与MXene表面的功能基团存在氢键相互作用，从而大大增强了MXene片层间界面作用力。

图 3. MXene-半纤维素复合膜机械性能和导电性表征

这种微观尺度的取向结构和分子水平的界面作用力，大幅提高了MXene-半纤维素复合膜的机械强度。同时，区别于其他聚合物大分子，具有丰富功能基团的小分子半纤维素减轻了对MXene片层导电连接的破坏，从而保持了MXene高导电性的特性。这种具有优异机械性能和高导电性的复合膜，作为自支撑超级电容器电极，展现出优异的电化学性能（图4）。有趣地是，小分子半纤维素具有强烈的吸湿性。存在MXene片间，增大层间距的同时赋予复合膜额外的吸湿性，作为湿度传感器，具有快速的湿度响应性能（图5）。

图4. MXene-半纤维素复合膜作为自支撑电极在超级电容器中的应用

图5. MXene-半纤维素复合膜作为结构电极在湿度传感器中的应用

基于木材结构的特征，研究团队以小分子半纤维素作为MXene的分子粘合剂。这种设计方法，使得复合膜在微观尺度上具有增强的取向结构，在分子水平上具有增加的界面相互作用力，从而实现高导电和优异机械性能。并对复合膜作为结构电极在超级电容器和湿度传感器中的应用进行了探究。本文为MXene复合材料的结构设计和应用提供了新的和高效的替代方案。

相关论文发表在ACS Nano上，华南理工大学博士研究生陈儒维为文章的第一作者，华南理工大学硕士生汤浩为文章的共同第一作者， 何冠杰博士和王小慧教授为通讯作者。

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ACS Nano 2022, ASAP

Publication Date: October 26, 2022

https://doi.org/10.1021/acsnano.2c08163 

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