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        1. 蘇州納米所在制備高導電MXene氣凝膠纖維方面獲進展

            氣凝膠纖維能夠將氣凝膠的輕量化和介孔特性與纖維的柔韌和細長特性相結合,在智能織物、柔性電子和透明光學等領域受到越來越多的關注。最近,中科院蘇州納米所氣凝膠團隊通過動態溶膠-凝膠濕法紡絲和超臨界干燥聯用策略,制備出具有高導電性、高取向性且具有優異電熱/光熱雙響應性的Ti3C2Tx MXene氣凝膠纖維(MAF),如圖1所示。與靜態溶膠-凝膠轉變策略相比,動態溶膠-凝膠紡絲策略在MXene氣凝膠的制備中展現出連續性和批量生產的優勢。MAF的電導率高達104S/m,比石墨烯氣凝膠纖維高1個數量級,比文獻中報道的其他MXene氣凝膠高2~3個數量級。在極低的輸入電壓(4.5 V)下,單根MAF響應速度0.4s,表面溫度能升至178℃。這些特性使MAFs在柔性可穿戴設備、智能織物和便攜式設備等領域具有應用潛力。 

            1. MAF的制備及優異性能示意圖 

            基于MXene納米片分散液的可紡性和金屬Ca2+的交聯作用,通過動態溶膠-凝膠濕法紡絲和隨后的超臨界CO2干燥成功制備出MAF。如圖2所示,MAF內部形貌呈現出連續均勻的多孔網絡結構,而表面形貌相對致密。隨著初始濃度的降低,MAF的比表面積從65m2/g增加到142 m2/g,孔容從0.197 cm3/g增加到0.342 cm3/g。結果表明,超臨界CO2干燥工藝對氣凝膠纖維的孔隙結構損傷最小。與文獻中報道的MXene泡沫、MXene氣凝膠塊體和MXene膜相比,MAF的比表面積更具有優勢。此外MAF的孔隙率可達99.3%,密度可低至0.035 g/cm3。 

            2. MXene的可紡性及MAF的形貌和孔結構表征 

            如圖3所示,通過2D廣角x射線散射(WAXS)測試,探究了紡絲液濃度、擠出速度和牽引速度對氣凝膠纖維微觀結構的影響。MXene氣凝膠塊體2D WAXS散射圖形呈圓形,表明內部MXene納米片是隨機的。相比之下,MAF2D WAXS散射圖形呈梭狀,沿垂直方向延伸,反映了MXene納米片沿纖維軸的優先取向。采用取向因子f定量研究MXene納米片的取向程度(其中f=0表示完全隨機;f= 1表示完全取向)。相比于MXene氣凝膠塊體的取向因子f0,MAF具有高取向度,取向因子f最高達到0.68。結果表明高濃度的紡絲液、擠出過程中的剪切力和收集過程中的拉伸力有利于MXene納米片在氣凝膠纖維中的定向排列。 

            3. MAF的高取向性表征 

            得益于Ti3C2Tx MXene的本征金屬性質和MAF的高取向性,MAF的電導率高達104S/m,比石墨烯氣凝膠纖維高一個數量級,比MXene氣凝膠塊體2~3個數量級。如圖4所示,采用DST策略制備的純MXene氣凝膠纖維導電性能優于已報道的CNT基氣凝膠、石墨烯基氣凝膠、金屬基氣凝膠和MXene基氣凝膠等。其中MAF(11170 S/m)的電導率是碳納米管氣凝膠(9.4 S/m)1245倍,是銅納米線基氣凝膠(1280 S/m)9倍。研究發現MXene納米片具有優異的導電性主要得益于以下三點:(1)MXene納米片本征金屬導電性;(2)大片MXene納米片(幾微米~十幾微米);(3)動態溶膠-凝膠轉變策略誘導MXene納米片的高度取向。MXene納米片還具有優異的電熱性能,在極低的輸入電壓(4.5V)下,單根MAF以極快的響應速度(0.4s)使得其表面溫度升至178℃。與商用碳纖維相比,MAF表現出更低的響應電壓,在相同輸入電壓下表現出更快的響應速度和更高的表面溫度。 

            4. MAF優異的導電性及電熱性能 

            如圖5所示,MAF具有高光吸收能力,在近紅外區域接近100%。并且MXene20.5 L g-1 cm-1)的消光系數比氧化石墨烯(3.6 L g-1 cm-1)高約5.7 倍,所以MAF表現出出色的光熱響應能力。在一個太陽光下,單根MAF的溫度可升至40℃;多根MAFs的溫度可以升至47℃。此外,MAF在低溫下也具有優異的光熱轉換功能,在極低溫度下也可具有光熱效果。MAF的光熱響應性能在循環過程中沒有表現出任何顯著惡化,表明MAF作為光熱響應材料在光加熱器領域的應用潛力。  

            5. MAF優異的光吸收性能及光熱響應性 

            這項工作通過動態溶膠-凝膠濕紡策略制備了Ti3C2TMXene氣凝膠纖維,這種高導電的氣凝膠纖維豐富了氣凝膠纖維種類,并為高導電性氣凝膠材料的制備提供了新思路,另外MXene氣凝膠纖維作為智能響應纖維,在柔性可穿戴設備和光/電加熱等領域顯現出廣泛應用前景。相關工作Electrically Conductive, Optically Responsive, and Highly Orientated Ti3C2Tx MXene Aerogel Fibers為題發表Wiley旗下期刊Advanced Functional Materials。論文的第一作者為博士生李玉珍,通訊作者中科院蘇州納米所張學同研究員。該工作獲得了國家重點研發計劃和英國皇家學會-牛頓高級學者基金等資助。 

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