AM：高强度、高导电、自支撑MXene膜的大面积制备

在电磁干扰屏蔽涂层、电池/电容器集电器等高端柔性电子器件的制造中，兼具高强度、高导电性的自支撑膜材料起到关键作用。二维（2D）Ti₃C₂T_x 展现出的高导电性和高机械强度使其成为制备高性能导电膜材料的理想材质。但是，传统的基于溶液相的加工制备方法导致Ti₃C₂T_x片的排列规整性以及所形成导电薄膜的尺寸都受到极大的限制，使其在高端柔性电子领域的大规模应用受到限制。

近日，澳大利亚迪肯大学（Deakin University）Joselito M. Razal教授研究团队在不借助任何粘合剂或成膜助剂的条件下，采用刮涂法（blade-coating）实现了兼具高强度、高导电性的自支撑MXene膜的简便大面积、连续化制备。该制备方法所制备的导电膜MXene薄片高度有序排列，940 nm厚度的自支撑膜抗张强度达568 ± 24 MPa、杨氏模量达20.6 ± 3.1 GPa，214 nm膜厚电导率达约15,100 S cm^-1；同时，该MXene膜材料展现出优异的电磁屏蔽性能（940 nm 厚度薄膜约50 dB）。

MXene薄片的制备及结构表征。图片来源：Adv. Mater.

该研究团队选用大尺寸Ti₃AlC₂MAX相粒子（>10 µm）合成出平均横向尺寸约10 ± 2.1 µm的MXene薄片。产物纯度通过XRD进行了表征分析，MAX相在约39°无2θ峰出现；Ti₃AlC₂ 薄片的化学组成和结构基于XPS和拉曼光谱进行了表征。

所合成MXene薄片具有高的纵横比，偏光显微镜观察该高纵横比特性使得MXene薄片水相（浓度30 mg mL^-1）分散体形成溶致液晶。流变学测试表明，30 mg mL^-1 MXene分散液在0.01 s^-1剪切速率下，体系呈现类凝胶粘度（1,000 Pa s）且呈切力变稀特性；该溶液体系的高初始粘度和高剪切速率下良好的流动特性，使其非常适用于刮涂等薄膜制备工艺。

MXene膜大面积制备及性能测试。图片来源：Adv. Mater.

弯曲性能测试。图片来源：Adv. Mater.

刮涂法所制备MXene薄膜，具有卓越的机械强度；940 nm厚时抗张达568 ± 24 MPa、杨氏模量20.6 GPa、硬度10.2 MJ m^-3，抗张强度比过滤成膜（1.2 µm厚度，~40 MPa,）高约15倍、比报道的最优MXene基复合膜强度（341 MPa）高约2倍；循环弯曲测试（180°、500次）表明其具有优异的柔韧性和抗弯曲性能。同时，MXene片的高度有序排列赋予薄膜卓越的导电性能，214 nm膜厚导电率为12,300 ± 170 S cm^-1；作为电磁屏蔽材料，2.4 µm厚度刮涂膜电磁屏蔽效能达53.5 dB（8.2 GHz），屏蔽性能超过其他相同厚度的合成材料。此外，研究人员基于小角度和广角X射线（SAXS/WAXS）测试，阐释了刮涂过程中MXene片取向形成的致密高度有序排列结构。

MXene片取向排列结构SAXS/WAXS表征。图片来源：Adv. Mater.

总结

研究人员通过微米级MXene片层尺寸的优化（高纵横比），赋予了MXene水溶液分散相较高的初始粘度和切力变稀特性，最终实现了MXene基自支撑导电薄面的刮涂法简便制备。该研究成果中高强度、高导电性MXene基薄膜大面积制备策略，将极大的推动MXene 2D薄膜在柔性电子领域的广泛应用。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Scalable Manufacturing of Free-Standing, Strong Ti₃C₂T_x MXene Films with Outstanding Conductivity

Jizhen Zhang, Na Kong, Simge Uzun, Ariana Levitt, Shayan Seyedin, Peter A. Lynch, Si Qin, Meikang Han, Wenrong Yang, Jingquan Liu, Xungai Wang, Yury Gogotsi, Joselito M. Razal

Adv. Mater., 2020, 32, 2001093, DOI: 10.1002/adma.202001093