仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜

Bioinspired nanocomposite films with graphene and MXene

Lei Li, Qunfeng Cheng

Giant 2022, 12, 100117

https://doi.org/10.1016/j.giant.2022.100117

内容简介

近年来，二维纳米材料（石墨烯和MXene）凭借其独特的结构和优异的物理化学性能，被广泛用于制备高性能纳米复合薄膜，在许多领域展现出巨大的应用前景。然而，在石墨烯和MXene纳米片组装成纳米复合薄膜的过程中会不可避免地产生孔隙和褶皱，降低其力学性能和其他功能。自然界鲍鱼壳通过构筑丰富的界面相互作用以及高度规整有序结构，为制备高性能石墨烯、MXene纳米复合薄膜提供了灵感。本综述中，我们首先介绍了仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜的制备方法。然后，总结和讨论了具有代表性的几种组装策略。同时，讨论了仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜在电磁屏蔽和导热等领域的应用。最后，我们展望了仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜所面临的机遇与挑战，以促进其在未来科学研究中的发展和应用。

背景介绍

自2004年石墨烯被首次报道以来，其优异的力学、电学以及热学性能受到了研究人员的广泛关注。在过去的十余年中，石墨烯纳米复合薄膜已被广泛用于柔性电子器件、航空航天以及热管理等应用领域。此外，MXene作为一类新型二维材料，同样因其优异的物理化学性能而被应用于上述领域。然而，传统制备方法得到的石墨烯、MXene纳米复合薄膜，由于纳米片层间界面相互作用弱、结构不规整导致其物理化学性能远低于纳米材料的本征性能，因此亟需开发高性能纳米复合薄膜。通过向自然界鲍鱼壳学习，构筑具有高度规整结构以及丰富界面作用的仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜，为高性能纳米复合薄膜材料的发展提供了新思路。

图文导读

受到鲍鱼壳高度规整层状结构的启发，开发了许多仿生构筑石墨烯、MXene纳米复合薄膜的制备方法，包括真空辅助抽滤、刮涂、浇铸以及层层组装法（图1）。

图1. 仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜的制备方法。（a）真空辅助抽滤；（b）刮涂；（c）浇铸；（d）层层自组装。

近年来，研究人员在制备仿生高性能石墨烯纳米复合薄膜方面做了大量的工作。增强界面相互作用、提高取向度以及减少孔隙是制备仿生高性能石墨烯纳米复合薄膜的关键步骤。特别地，界面相互作用是提高石墨烯纳米复合薄膜力学性能的重中之重。现有研究表明，界面协同作用是一个行之有效的策略（图2）。

图2. 界面作用对仿生石墨烯纳米复合薄膜力学性能的影响。（a-b）引入铜离子形成金属-配位键；（c-e）引入长链交联剂形成π-π相互作用；（f-i）引入MXene纳米片和小分子链形成共价键和π-π相互作用。

此外，总结了溶剂插层塑化拉伸法、冻结拉伸诱导取向法以及离心铸造等外力诱导策略，通过改善石墨烯纳米片的排列来提高仿生纳米复合薄膜的取向度以及降低孔隙率（图3）。

图3. 外力诱导对仿生石墨烯纳米复合薄膜力学性能的影响。（a-b）溶剂插层塑化拉伸法；（c-f）冻结拉伸诱导取向法。

MXene纳米复合薄膜优异的力学性能是实现其应用于各个领域的先决条件。与石墨烯相比，MXene纳米片表面具有更多官能团，易于构筑各种强弱界面。此外，通过外力诱导（剪切力）策略也可改善MXene纳米片的排列来提高仿生纳米复合薄膜的取向度以及降低孔隙率（图4）。

图4. 界面作用及外场诱导对仿生MXene纳米复合薄膜力学性能的影响。（a-b）引入纳米纤维素形成氢键；（c-d）引入聚多巴胺形成共价键和氢键；（e-g）大规模刮涂制备法。

界面协同作用对制备仿生高性能MXene纳米复合薄膜具有重要意义。利用氢键和共价键的有序桥连诱导MXene薄膜的致密化和孔隙的去除，从而形成高度致密的仿生MXene纳米复合薄膜，具有优异的力学性能和电学性能（图5）。

图5 （a-i）有序桥连MXene纳米复合薄膜的结构表征；（j-l）有序桥连MXene纳米复合薄膜的机械性能；（m-n）大面积有序桥连MXene纳米复合薄膜示意图。

此外，石墨烯和MXene由于其本征的高导电/热性能，在电磁屏蔽和导热领域表现出巨大的应用潜力。针对上述领域，我们总结了仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜的相关应用（图6）。

图6. 仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜的应用（a-b）仿生石墨烯纳米复合薄膜的导热性能；（c-d）仿生MXene纳米复合薄膜的导热性能；（e-g）仿生石墨烯纳米复合薄膜的电磁屏蔽(性能；（h-j）仿生MXene纳米复合薄膜的电磁屏蔽性能。

最后，作者对仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜进行了总结与展望。目前对仿生石墨烯、MXene纳米复合薄膜的力学性能及其功能性的研究已经十分丰富，但是其稳定性、耐用性以及大规模制备仍然是该领域未来研究的重点。

作者介绍

李    雷（本文第一作者）

北京航空航天大学2021级博士研究生，主要研究方向为基于仿生设计的热管理纳米复合材料。

程群峰（本文通讯作者）

北京航空航天大学，博士生导师，教授，国家杰出青年科学基金获得者。从事高分子纳米复合材料的研究工作，发现了降低高分子纳米复合材料力学性能的孔隙缺陷问题，提出了降低孔隙率提高力学性能的有序界面化学交联和拉伸诱导取向策略，构筑了一系列轻质高强高分子纳米复合材料。获国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、牛顿高级学者基金和北京市杰出青年科学基金等人才项目的资助，获茅以升科学技术奖-北京青年科技奖、中国复合材料学会青年科学家奖、中国化学会青年化学奖，入选教育部青年长江学者。以通讯作者在Science (1篇), Nat. Mater. (1篇), Nat. Commun. (3篇), PNAS (3篇)等期刊发表论文80余篇，引用7000余次，H因子45，授权中国发明专利23项。

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