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  近日，深圳大學(xué)特聘教授張晗團(tuán)隊(duì)在美國(guó)化學(xué)會(huì)（ACS）著名期刊Chemistry of Materials上發(fā)表題為“MXene/Polymer Membranes: Synthesis, Properties, and Emerging Applications”的綜述論文。該論文詳細(xì)綜述了MXene/聚合物薄膜的制備和性質(zhì)，并對(duì)MXene/聚合物薄膜在各領(lǐng)域的應(yīng)用做了詳細(xì)介紹（圖1）。

圖1. MXene/聚合物薄膜的制備及其應(yīng)用總結(jié)：餅圖的大小代表了制備方法和實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)論文占總發(fā)表論文的比重。

  過渡金屬碳/氮化物（MXene）是由美國(guó)德雷塞爾大學(xué)（Drexel University）Yury Gogotsi 等人在2011年首次發(fā)明的新型二維材料，由于其優(yōu)異的特性，迅速引起了科研工作者們的廣泛關(guān)注。MXene具體指的是一類具有M_n+1X_nT_x元素組成的材料，其中M表示過渡族金屬元素，X表示碳或氮原子，T指材料表面的官能團(tuán)，其具體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為n層碳或氮原子穿插在n+1層過渡金屬原子間，n取值為1、2或3，代表了MXene的三種原子排列類型。目前已經(jīng)有超過30種MXene被成功制備，并廣泛應(yīng)用到于儲(chǔ)能、電磁屏蔽、水凈化、傳感器、催化產(chǎn)氫、光熱治療以及核廢料處理等領(lǐng)域。然而MXene易氧化降解的問題限制了其進(jìn)一步發(fā)展，將MXene與其他材料復(fù)合能夠有效提高M(jìn)Xene的環(huán)境穩(wěn)定性，拓寬其實(shí)際應(yīng)用范圍。高分子聚合物具有制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉以及功能可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，自2014年首次將聚乙烯醇與Ti₃C₂混合制備復(fù)合薄膜以來，MXene/聚合物薄膜得到了迅速的發(fā)展，目前急需對(duì)MXene/聚合物薄膜進(jìn)行系統(tǒng)的歸納和總結(jié)，以指導(dǎo)高性能MXene/聚合物薄膜的制備。

  基于此，本論文系統(tǒng)歸納了MXene/聚合物薄膜的制備、性質(zhì)及其實(shí)際應(yīng)用。如圖2所示，MXene與聚合物間一般通過共價(jià)鍵或非共價(jià)鍵（范德華力、氫鍵以及靜電作用等）相結(jié)合。圖3歸納了MXene/聚合物薄膜的常用制備手段，包括真空輔助抽濾（VAF）、溶液澆膜（DC）、熱壓成膜（HP）、層層自組裝、靜電紡絲以及電化學(xué)沉積等。由于MXene與聚合物間的協(xié)同作用，有效提高了MXene/聚合物薄膜的各項(xiàng)性能，包括機(jī)械性能、熱性能、電性能以及氣體阻隔等，使其廣泛應(yīng)用于過濾、電磁屏蔽、傳感器、超級(jí)電容器以及納米發(fā)電機(jī)等領(lǐng)域（圖1）。最后，作者對(duì)MXene/聚合物薄膜發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了總結(jié)：MXene/聚合物薄膜的發(fā)展已經(jīng)有6年之久，而目前所研究的MXene/聚合物薄膜大部分由研究相對(duì)成熟的Ti₃C₂材料為主，考慮到MXene材料的多樣性，可以探索其他元素MXene材料的引入，結(jié)合聚合物本身的多功能性，實(shí)現(xiàn)高性能MXene/聚合物薄膜的制備；為了實(shí)現(xiàn)MXene/聚合物薄膜的量化生產(chǎn)，需要采用新穎的制備手段，例如在聚合過程中加入未經(jīng)插層剝離的MXene塊體，通過單體在層間聚合并撐開MXene片層，在實(shí)現(xiàn)MXene剝離的同時(shí)完成與聚合物的復(fù)合；通過建立模型，研究MXene與聚合物的相互作用機(jī)制，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示MXene/聚合物薄膜結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系，為構(gòu)建高性能MXene/聚合物薄膜提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)際意義。

圖2. MXene與聚合物間的共價(jià)鍵（a）和非共價(jià)鍵（b）作用。

圖3. MXene/聚合物薄膜的制備方法：真空輔助抽濾（a）、溶液澆膜（b）、熱壓成膜（c）、層層自組裝（d）、靜電紡絲（e）以及電化學(xué)沉積（f）。

  該綜述論文近期發(fā)表在Chemistry of Materials上，深圳大學(xué)博士后高凌鋒博士為該綜述論文的第一作者，深圳大學(xué)特聘教授張晗為通訊作者，深圳大學(xué)為第一完成單位。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金資助、廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目、深圳市科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的支持。

  全文鏈接：MXene/Polymer Membranes: Synthesis, Properties, and Emerging Applications

Lingfeng Gao, Chao Li, Weichun Huang, Shan Mei, Han Lin, Qi Ou, Ye Zhang, Jia Guo, Feng Zhang, Shixiang Xu, Han Zhang

  Chem. Mater. 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b04408

  https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemmater.9b04408

張晗教授簡(jiǎn)介

  深圳大學(xué)特聘教授、深圳市黑磷工程實(shí)驗(yàn)室主任、博士生導(dǎo)師。美國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)士、基金委“優(yōu)青”、科睿唯安“高被引科學(xué)家（2018/2019）”、廣東省科技領(lǐng)軍人才等。長(zhǎng)期從事低維材料光電器件相關(guān)研究，以通訊作者發(fā)表中科院一區(qū)論文超過100篇，包括Chemical Society Reviews, Coordination Chemistry Reviews, Physics Reports, PNAS, Science Advance, Nature Communications等，論文總被引超過26,000次，H-index指數(shù)85。張晗教授擔(dān)任多個(gè)SCI期刊專題主編/編委、中國(guó)激光青年編委會(huì)秘書長(zhǎng)、全國(guó)光學(xué)青年學(xué)術(shù)論壇第二屆主席團(tuán)副主席。科研成果獲得教育部自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、中國(guó)產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新獎(jiǎng)、中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展、廣東省丁穎科技獎(jiǎng)、深圳市青年科技獎(jiǎng)、深圳市自然科學(xué)獎(jiǎng)等。

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