对石墨烯取而代之，掀起高分子功能应用新高潮？—高分子/MXene纳米复合材料综述

Gogotsi（新二维材料MXene之父）2011年之前一直致力于由SiC刻蚀制备高性能硅基二维材料，同时一直期望层状材料MAX相陶瓷的二维化，结果在2011年发展MAX相材料的锂电正极应用时，其学生Nguib偶然通过HF刻蚀Ti3AlC2获得了这个目前很年轻的二维材料MXene，就是下面这个样子（图1），与薯片状或者手风琴状极为相似。其中“MX”是指其来源于MAX陶瓷（其中A层元素被刻蚀掉了），“exe”指其有类似石墨烯的纳米片层结构。MXene具有近金属的电导率（报道高的达9880S/cm），同时结合了优异的亲水性，这克服了石墨烯一被氧化或表面改性就严重丧失导电能力的缺陷，因此MXene受到了各国研究者热烈“追捧”。

图1 2D MXene微观层状形貌

将MXene与高分子复合就是其中重要的研究热点之一。中科院宁波材料所虞锦洪研究员和中北大学陈晓勇副教授合作系统总结了自MXene发现以来在高分子纳米复合材料领域的研究，相关论文以“MXene/Polymer Nanocomposites: Preparation, Properties, and Applications” 为题，发表在《Polymer Reviews》上。

图2 MXene/高分子纳米复合材料湿法共混与薄膜成型

论文在简短总结MXene性能与制备后，作者们介绍了MXene/高分子复合材料的制备技术和主要路线，发现当前湿法机械混合和原位聚合是制备高分子/MXene纳米复合材料的主要方法；MXene加入高分子后，能显著改善高分子的力、热和电等诸多方面性能；如MXene/PVA能稳定支撑起超过其自身重量15000倍的物重；加入0.15% MXene即可使透波的PVA具有高达28dB的电磁屏蔽效能；加入1.7%的MXene可以使PAM的电导率提升好几个数量级。在论文的最后部分，作者们重点介绍了该复合材料在生物医疗、传感、电磁屏蔽和能源方面的应用。该文展示MXene/高分子复合材料具有优良的光热、杀菌、温敏特性，在肿瘤热灭杀、抗菌领域效果显著。MXene/高分子复合材料在柔性传感领域也有广泛报道，能非常敏感的传感压力、温度、VOC和湿度等环境、人体生理指标，传感压力最低可达1Pa，循环使用次数高达上万次。在能源领域，MXene/高分子复合材料可在转换、吸附、储存都多个涉能环节应用，特别在超级电容器方面应用突出，具有极高体积密度。由于高的电导率和层次结构，MXene/高分子复合材料在电磁屏蔽和吸附方面的工作最为突出，在45um厚度的MXene/海藻酸钠体系中，电磁屏蔽效率高达92dB，是合成材料中最高的电磁屏蔽材料，远远优于银、铜的电磁屏蔽性能。

图3 MXene/高分子纳米复合材料的光热应用

图4 MXene/高分子纳米复合材料的代表性柔性传感应用

图5 MXene/高分子纳米复合材料电磁屏蔽机制及性能对比

此综述对理解MXene/高分子纳米复合材料物理化学性能、概览相关研究和明了领域关键方向、主要瓶颈和未来发展具有重要意义。

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全文链接：

https://www.tandfonline.com/eprint/PV97E29U4CCMSQCEHGNZ/full?target=10.1080/15583724.2020.1729179

来源：高分子科学前沿