Yury Gogotsi,Joselito M. Razal等顶刊齐发力,教你制备MXene纤维

Issuing time:2020-06-15 13:43Author:saisai

背景介绍


MXene具有独特的电学以及电化学性质,这使得该种材料在各种智能器件,以及电化学器件中具有良好的应用前景。而近年来,学术界对于可穿戴智能感应装置的研究越来越引人注目,其中,具有特殊性能电学或电化学性能的纤维及其衍生织物更是发展可穿戴智能设备的重中之重。因此,想要开发基于MXene的可穿戴智能器件,MXene纤维的弘量化制备则是首先需要解决的问题。就目前的研究进展来看,具有良好电学或电化学性能的纤维材料,不光可以用于智能穿戴设备的工作模块,还可以用于储能模块。而针对MXene这种新型材料,其纤维形貌材料的制备目前已有不少报道,其中就包括MXene纤维超级电容器,以及MXene纤维用于信号传输等方面的研究,其中Drexel大学的Yury Gogotsi课题组澳大利亚迪肯大学的Joselito M. Razal课题组以及韩国汉阳大学的Tae Hee Han课题组均在相关领域取得了一定进展。 今天小编将就近一段时间MXene基纤维的制备以及应用为大家进行简要介绍。


Small: 高导电MXene杂化纤维用于兼具柔性与弹性的纤维状超级电容器


早在2017年Joselito M. Razal课题组就在知名能源期刊Journal of Materials Chemistry A上发表了其课题组利用湿法纺丝技术制备MXene/GO纤维的工作,而MXene/GO可编织纤维用于超级电容器也取得了一定进展。随后,该课题组在前期工作基础上,对于纤维制备的组分材料进行调控,通过MXene与PEDOT/PSS进行合理配比,最后经由湿法纺丝技术制备得到了MXene/PEDOT:PSS杂化纤维。这种方法生产的纤维的电导率高达~1489 S cm-1,比之前报道的基于Ti3C2Tx MXene的纤维电导率(290 S cm-1)高约五倍。 ~70 wt% MXene的杂化纤维显示出高体积比电容(5 mV s-1扫速下约为614.5 F cm-3)和出色的倍率性能(在1000 mV s-1时~375.2 F cm-3)。 当组装成独立式纤维电容器时,该器件的能量和功率密度分别达到~7.13Wh cm-3和~8249mW cm-3。 杂化纤维出色的强度和柔韧性使它们可以包裹在有机硅弹性体纤维上,从而实现在循环拉伸至100%应变时仍具有96%容量保持率的弹性纤维电容器。 这项工作展示了基于MXene的纤维电极的潜力及其在基于纤维的能量存储应用中的可扩展生产。


ACS Central Science:液晶辅助制备多功能纯MXene纤维


基于前期工作,Joselito M. Razal课题组Yury Gogotsi课题组联合开展工作,在不使用LC添加剂,粘合剂或稳定剂的情况下,实现了水性Ti3C2Tx MXene油墨中自组装液晶相的首次实验制备。实验表明,MXene油墨从各向同性向向列相过渡的临界浓度受MXene片的长宽比的影响。向列相液晶相的形成使湿纺法从MXene生产纤维成为可能。通过改变油墨配方中的Ti3C2Tx 纳米片尺寸,凝固浴和纺丝参数,可以控制MXene纤维的形貌。 Ti3C2Tx湿纺纤维表现出~7750 S cm-1的高电导率,超过了现有的基于纳米材料制备的纤维。 Ti3C2Tx纤维的~1265 F cm–3的高体积电容使之有望用于纤维状超级电容器设备。同时,Ti3C2Tx纤维可用作加热器。 该工作基于MXene向列相液晶展开,为后续制备有序结构的纳米材料提供了良好的思路。



Advanced Functional Materials:具有高拉伸性和高电导率的MXene同轴复合纤维用于可穿戴应力传感织


除了将MXene与具有电化学活性的材料进行杂化复合制备储能器件以外,将具有高电导率的MXene集成到可拉伸聚合物纤维中也可以实现新颖的功能,例如感应物理变形。因此,Joselito M. Razal课题组Yury Gogotsi课题组联合发展了可扩展的湿纺技术用于生产同时具有导电性和高拉伸性的Ti3C2Tx MXene /聚氨酯(PU)复合纤维。结果表明,其导电逾渗阈值低至~1wt%,此项指标优于先前报道的基于MXene的聚合物复合材料。当用作应变传感器时,MXene/PU复合纤维显示出约12900的灵敏度系数(50%应变下为238)和152%的较大传感应变。通过使用同轴湿纺工艺生产具有MXene/PU护套和纯PU芯的纤维,可以进一步提高循环应变传感性能。使用商用规模的编织机,将MXene / PU纤维编织成一体的肘套,可以追踪穿戴者肘部的各种运动。这项研究建立了对MXene在弹性体复合材料中的行为的基本理解,并提出了获得具有适合于健康,体育和娱乐应用的应变传感特性的MXene基纤维和纺织品的策略。


Nat. Commun. 规模化湿法纺丝制备高导电MXene纤维


Ti3C2Tx MXene是一类新兴的二维纳米材料,具有卓越的导电性和电化学性质,在制造多功能宏观材料和纳米材料。在此,韩国汉阳大学Tae Hee Han课题组通过大规模湿法纺丝自组装技术,开发了一种简单,连续可控,无添加剂/无粘结剂的方法来制备纯MXene纤维。得益于具有较大尺寸的MXene纳米片(平均横向尺寸为5.11μm2)高度浓缩在水中且不会发生团聚或相分离。在凝固过程中成功引入铵根离子将MXene片材组装成柔性,具有米级别长度的高导电纤维(7,713 S cm-1)。通过将制造的MXene纤维用做导电以接通发光二极管的光或将电信号传输到耳机以展示其在电子设备中的应用。该湿纺策略提供了一种连续批量生产高性能MXene纤维的方法,并为其在下一代可穿戴电子设备中的应用提供了可能。


总结


基于MXene宏观组装体的研究日趋多样化,而湿法纺丝技术目前已经是比较成熟的规模化生产纤维/纱线的技术,这无疑为MXene功能化纤维的制备提供了良好的前提。为了满足MXene纤维在不同领域以及场景下的应用,更多的技术亟待开发。同时,能够实现大规模生产多功能性MXene纤维的方法仍有待完善。关于MXene基纤维在储能,以及电子器件方向的具体应用,感兴趣的小伙伴可以参考Joselito M. Razal课题组近期发表在Advanced Functional Materials上关于MXene基纤维/纱线/织物在储能以及传感器件方面的应用的综述“MXene‐Based Fibers, Yarns, and Fabrics for Wearable Energy Storage Devices”。


参考文献



【1】Knittable energy storing fiber with high volumetric performance made from predominantly MXene nanosheets. Shayan Seyedin, Elliard Roswell S. Yanzaa   and   Joselito M. Razal。 Journal of Materials Chemistry A, 2017,5, 24076-24082

【2】Highly Conductive Ti3C2Tx MXene Hybrid Fibers for Flexible and Elastic Fiber‐Shaped Supercapacitors. Jizhen Zhang, Shayan Seyedin,   Si Qin,   Zhiyu Wang,   Sepehr Moradi,   Fangli Yang,   Peter A. Lynch,   Wenrong Yang,   Jingquan Liu,   Xungai Wang,   Joselito M. Razal. Small, 2019, 15(8): 1804732

【3】Additive-Free MXene Liquid Crystals and Fibers. Jizhen Zhang, Simge Uzun, Shayan Seyedin, Peter A. Lynch, Bilen Akuzum, Zhiyu Wang, Si Qin, Mohamed Alhabeb, Christopher E. Shuck, Weiwei Lei, E. Caglan Kumbur, Wenrong Yang, Xungai Wang, Genevieve Dion, Joselito M. Razal*, and Yury Gogotsi* ACS Central Science, 2020, 6(2): 254-265.

【4】MXene Composite and Coaxial Fibers with High Stretchability and Conductivity for Wearable Strain Sensing Textiles. S Seyedin, S Uzun, A Levitt, B Anasori, G Dion, Y Gogotsi, JM Razal. Advanced Functional Materials, 2020, 30(12): 1910504.

【5】Large-scale wet-spinning of highly electroconductive MXene fibers. Wonsik Eom, Hwansoo Shin, Rohan B. Ambade, Sang Hoon Lee, Ki Hyun Lee, Dong Jun Kang & Tae Hee Han. Nature Communications, 2020, 11(1): 1-7.

【6】MXene‐Based Fibers, Yarns, and Fabrics for Wearable Energy Storage Devices. Ariana Levitt; Jizhen Zhang; Genevieve Dion; Yury Gogotsi; Joselito M. Razal. Advanced Functional Materials, 2020: 2000739.


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