基于MXene的双金属硫化物作为锂硫电池的多功能隔膜

《Journal of Alloys and Compounds》：Bimetallic sulfide based on MXene as a multifunctional separator for lithium sulfur batteries

MXene/CNF复合材料的开发及其在电磁屏蔽中的应用。通过水力碰撞法（ACC）成功制备了Ti?C?T?/CNF复合材料，解决了传统均质法（HMG）分散不均的问题，显著提升材料机械强度（达121.6 MPa）和电磁屏蔽效能（最高42.1 dB），同时保持高水分稳定性。

　　Ti?C?T?是一种具有高度导电性的二维材料，因其在电磁干扰（EMI）屏蔽领域的潜力而受到广泛关注。然而，这种材料在面对机械应力时常常表现出结构稳定性不足的问题。为了克服这一缺陷，研究者们尝试将具有高机械强度的纤维素纳米纤维（CNF）引入到Ti?C?T?中，通过形成强的氢键网络来增强其结构稳定性，从而在极端条件下提升整体性能。传统的Ti?C?T?与CNF复合材料制备方法通常是通过常规的均质化（HMG）技术进行混合，但这种方法在实现均匀、高度分散的复合材料方面存在一定的局限性，特别是在不同Ti?C?T?合成方法导致的表面功能差异影响下。为此，本研究首次采用水相碰撞（ACC）方法制备Ti?C?T?/CNF复合材料，该方法能够合成具有两亲性表面特性的CNF，从而实现更广泛的分散性和更高的性能。

随着电子和移动通信技术的快速发展，人们的生活质量得到了显著提高，但同时也带来了电磁干扰和辐射暴露的增加，这不仅可能导致数据失真，还可能对健康造成影响。传统的金属材料虽然在EMI屏蔽方面表现良好，但它们往往重量较大、容易腐蚀、加工难度高，这些缺点限制了它们在现代可穿戴和智能设备中的应用。因此，开发具有柔韧性、轻量化和耐用性的材料，具备广泛吸收能力，以有效替代金属材料成为当前研究的重点。MXene作为一种高度导电的二维材料，具有优异的机械灵活性、可调的表面化学性质、亲水性和易于加工等优点，这些特性使其成为下一代EMI屏蔽材料的理想选择，相较于传统金属和碳基材料，MXene展现出更大的优势。

在研究MXene/CNF复合材料的过程中，发现其优异的性能来源于MXene与CNF之间形成的强而稳定的氢键。MXene的表面官能团，如氧、羟基和氟，能够与CNF的羟基形成稳固的化学键，从而构建稳定的多相界面，并在MXene的高电负性作用下实现良好的分散性。为了进一步提高分散性，均质化设备常被用于制备Ti?C?T?/CNF复合材料。然而，当CNF的含量达到约25%时，材料的导电性会出现明显下降。为了解决这一问题，研究者们引入了先进的混合方法，如水相碰撞（ACC）工艺。该工艺利用高压水流在碰撞区形成湍流，显著提高了MXene层的剥离效率。同时，这种工艺还促进了材料的均匀混合。通过ACC方法制备的CNF具有两亲性，使其能够与不同表面官能团的MXene良好分散，从而在增加CNF含量的情况下实现更高的电导率和更均匀的复合材料。尽管ACC方法具有诸多优势，但在MXene/CNF复合材料的制备方面尚未有相关研究报道，这使其成为一种有潜力的高性能量子材料开发方法。

本研究采用ACC方法制备Ti?C?T?/CNF复合纸，并将其与常规均质化方法（HMG）制备的样品进行比较，以评估其在柔性EMI屏蔽方面的性能。首先，分别使用ACC和HMG方法制备Ti?C?T?和CNF的分散液，并对它们的分散稳定性进行评估。接着，通过真空过滤技术从每种分散液中制备薄膜，并使用多种结构和化学表征技术对其微观结构和结合特性进行分析。特别地，我们研究了不同表面官能团组合以及混合方法对薄膜微观结构和结合特性的影响。随后，测量了复合材料的电导率、EMI屏蔽效果以及机械性能，包括杨氏模量、断裂强度和应变，以探讨不同微观结构如何影响复合材料的性能。基于这些分析，我们提出了采用ACC方法制备MXene/CNF复合材料的工艺，这种工艺能够实现优异的机械性能和电磁屏蔽效果。

为了实现这一目标，研究团队首先对Ti?C?T?和CNF的原料进行制备。MAX材料（400目，中国苏州Bknano材料有限公司生产）通过盐酸（37%浓度，Sigma-Aldrich）和氟化锂（≥99.0%，Sigma-Aldrich）进行蚀刻处理，从而获得Ti?C?T?纳米片。微晶纤维素（MCC，软木浆）则从日本Chuetu纸浆与纸业公司购买，作为纤维素纳米纤维（CNF）的前驱体。Ti?C?T? MXene粉末由韩国INNO MXene公司提供。在实验过程中，使用了去离子水（电阻率为18.2 MΩ·cm）作为溶剂。

在MXene的合成过程中，研究团队首先对Ti?C?T?纳米片进行制备。通过蚀刻MAX材料，得到具有特定表面官能团的Ti?C?T?纳米片。这些纳米片在水中形成稳定的分散体系，但其表面官能团的种类和数量会影响与CNF的结合效果。为了实现更好的结合，研究团队尝试使用不同的表面处理方法，如引入氟化物或调整pH值，以改变MXene的表面特性。同时，CNF的制备方法也对复合材料的性能产生重要影响。通过不同的机械处理技术，如高压均质化或超声波处理，可以得到不同形态的CNF，这些形态会影响其与MXene的相互作用。

在Ti?C?T?和CNF的原始材料微观结构分析中，研究团队使用扫描电子显微镜（SEM）对两种材料的微观结构进行观察。结果显示，CNF呈现出典型的单维纤维结构，长度可达数十微米，直径较小，而Ti?C?T?纳米片则呈现出层状结构，表面覆盖有各种官能团。通过SEM观察，可以清楚地看到CNF在分散液中的分布情况，以及Ti?C?T?纳米片在水中的分散状态。这些原始材料的微观结构为后续复合材料的制备提供了重要的基础。

在复合材料的制备过程中，研究团队采用了两种不同的混合方法：常规均质化（HMG）和水相碰撞（ACC）。通过HMG方法，将Ti?C?T?纳米片与CNF分散液进行混合，形成均匀的复合材料。然而，HMG方法在高含量CNF的情况下，会导致Ti?C?T?纳米片的分散性下降，从而影响复合材料的整体性能。为了解决这一问题，研究团队引入了ACC方法，通过高压水流在碰撞区形成湍流，促进Ti?C?T?纳米片的剥离和CNF的均匀分散。通过ACC方法制备的CNF具有两亲性，使其能够与不同表面官能团的Ti?C?T?纳米片良好结合，从而实现更高的电导率和更均匀的复合材料结构。

在复合材料的结构和化学特性分析中，研究团队使用了多种表征技术，包括X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和拉曼光谱（Raman）等。这些技术能够提供关于复合材料的晶体结构、化学键合和表面官能团分布的详细信息。此外，研究团队还对复合材料的微观结构进行了分析，通过SEM和透射电子显微镜（TEM）观察其纤维排列和层状结构。这些结构特性对复合材料的机械性能和EMI屏蔽效果具有重要影响。

在电导率和EMI屏蔽效果的测量中，研究团队使用了四探针法和矢量网络分析仪（VNA）等设备。通过这些设备，可以准确测量复合材料的电导率，并评估其在不同频率下的EMI屏蔽效果。实验结果显示，采用ACC方法制备的复合材料在高含量Ti?C?T?的情况下，表现出更高的电导率和更优异的EMI屏蔽效果。特别是在90% Ti?C?T?含量的情况下，复合材料的EMI屏蔽效果指数达到10,029×103 dB·cm2·g?1，表明其在电磁波吸收方面具有显著优势。

在机械性能的测量中，研究团队使用了万能材料试验机（Universal Testing Machine, UTM）对复合材料的杨氏模量、断裂强度和应变进行测试。实验结果表明，采用ACC方法制备的复合材料在75% Ti?C?T?含量的情况下，其拉伸强度达到了121.6 MPa，是HMG方法制备样品的两倍以上。这表明ACC方法能够有效提高复合材料的机械强度，使其在实际应用中更加耐用和稳定。此外，研究团队还对复合材料的水分稳定性进行了测试，结果显示，在96小时的浸泡后，其电阻变化小于5%，表明其在潮湿环境下仍能保持良好的性能。

通过上述实验和分析，研究团队得出结论：采用ACC方法制备的Ti?C?T?/CNF复合材料在电磁屏蔽性能和机械性能方面均表现出显著优势。特别是在高含量Ti?C?T?的情况下，其EMI屏蔽效果指数和拉伸强度均达到较高水平，表明其在实际应用中具有广阔的前景。因此，本研究提出了一种基于ACC方法的新型MXene/CNF复合材料制备工艺，为开发高性能EMI屏蔽材料提供了重要的参考和理论支持。这种材料不仅适用于电子设备、航空航天等领域，还可以用于可穿戴设备和智能系统，以满足日益增长的EMI屏蔽需求。