成果简介
二维石墨烯和 MXene 因其优异的导电性和机械性能，在储能设备和可穿戴传感器领域备受关注。然而，由于堆叠夹层之间缺乏电子传输和离子扩散通道，其复合材料的电容受限于低电子传输和缓慢的离子扩散。本文，东南大学王育乔 教授团队在《Small》期刊发表名为“Electron Transport and Ion Diffusion in Hydrogen-Bonded Interlayer Cross-Linked Graphene/MXene for Wearable Micro-Sensors”的论文，研究通过理论分析和实验验证了使用对苯二甲酸二钠作为辅助导电桥来交联石墨烯和 MXene 之间层间相互作用的可能性。
具有二羧基和共轭结构的交联剂与石墨烯和 MXene 表面的羟基形成氢键，为层间电子转移提供了途径，同时抑制了层间堆叠，确保了有效的离子扩散过程。为了验证这种方法的实际效果，我们通过集成微型超级电容器组装了微型传感器。组装后的微型传感器可对人体运动和温度信号进行实时监测。这项工作为促进层状复合材料中的电子传输和离子扩散，从而设计出下一代多功能微型器件提供了一种可行的策略。
图文导读
图1、构建交联SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4的设计策略
图2、a) SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4 平面微电极的制备过程示意图。b,c) SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4 平面微电极的 SEM 图像和相应的截面图像。d-f) SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4 纳米片的 TEM 图像、HRTEM 图像和 EDS 元素映射图。g,h) SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4 薄膜的 AFM 图像和相应的高度统计图。
图3、SFG/Ti3C2Tx-C8H4Na2O4薄膜的表征。
图4、使用1m KOH水电解液的三电极系统中平面微电极的电化学性能。
图5、基于石墨烯/Ti3C2Tx、SFG/Ti3C2Tx 和 SFG/Ti3C2Tx-4.2% 的 PMSC 的电化学性能。
图6、基于 SFG/Ti3C2Tx-4.2% 的 PMSC 的应用。
小结
这项工作发现了一种增强二维材料层间电子传输和离子扩散的方法，即通过分子结构中的对位二羧基团（如对苯二甲酸二钠）以氢键交联石墨烯和 MXene 的表面羟基。这类添加剂含有良好的电子共轭结构和二羧基官能团。一方面，可以利用分子中苯环的π电子供体，层间电子电导率高达0.13S cm-1，面内电导率高达121.13S cm-1。另一方面，这种添加剂分子可以保证层间离子扩散空间，表观扩散系数可达1.20×10-10cm2 s-1。正是基于复合结构的变化，为高性能多功能微器件的集成奠定了材料基础。
文献：https://doi.org/10.1002/smll.202405644
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