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《Science》刊发北航程群峰解释团队在纳米复合材料筹谋上的新阐述

发布日期:2024-07-06 08:40    点击次数:185

《Science》刊发北航程群峰解释团队在纳米复合材料筹谋上的新阐述

北航新闻网2月16日电(航宣)2024年2月16日,《Science》杂志报说念了北京航空航天大学化学学院程群峰解释团队在纳米复合材料筹谋上获得的最新阐述:《Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage》,该职责初度讹诈纳米限域水在室温常压下制备了具有超高拉伸强度(1.87GPa)的面内各向同性Ti3C2Tx交联石墨烯复合薄膜,为其他二维材料的有序拼装提供了一种新的政策【Science2024, 383,771】。

北航化学学院博士筹谋生杨娇为第一作家,中国科学院理化时刻筹谋所筹谋员李明珠、好意思国德克萨斯大学达拉斯分校解释房少立、中国科学院进程工程筹谋所副筹谋员王艳磊为共淹没作,北京航空航天大学化学学院为第一单元,程群峰解释为第一单元通信作家,好意思国德克萨斯大学达拉斯分校Ray H. Baughman解释为互助单元通信作家。

2023年10月1日,工业和信息化部、科学时刻部、财政部、中国民用航空局等四部门斡旋印发了《绿色航空制造业发展提要(2023—2035年)》,指开赴展绿色航空制造业是支吾征象变化、已毕航空产业可抓续发展的势必条款。其中轻量化材料是绿色航空发展的枢纽中枢时刻之一。现在波音787、空客A350客机、C919客机广泛使用碳纤维复合材料,已毕减重和节能减排。和碳纤维比拟,石墨烯和碳化钛(Ti3C2Tx)等二维纳米材料具有愈加优异的力学和电学性能,是异日已毕绿色航空沟通的理思材料。如何将二维纳米材料优异的本征性能在宏不雅拼装体中已毕是该界限亟待处分的枢纽科知识题。

北京航空航天大学程群峰解释团队恒久努力于于仿生纳米复合材料的筹谋,获得了一系列重要筹谋阐述(Science 2021, 374, 96.; Nat. Mater. 2021, 20, 624.; PNAS 2020, 117, 27154.; Nat. Commun. 2020, 11, 2077.; PNAS 2020, 117, 8727. ; Nat. Commun. 2022, 13, 7340.)。通过向当然学习,程群峰解释团队发展了纳米复合材料的绿色仿生构筑政策,发明了有序化学交联过火协同作用政策,创制了高强导电轻量化功能纳米复合材料。最近,程群峰解释提议了纳米限域拼装政策,通过纳米限域水支持二维纳米材料拼装,遗弃了毛细减轻导致二维纳米材料的褶皱,处分了湿化学法拼装二维纳米材料结构不精雅,取向度低的枢纽科知识题,已毕了纳米复合材料力学性能的破损。

石墨烯和Ti3C2Tx等二维纳米材料的单层纳米少顷常具有超高的力学性能,可是由它们拼装成的宏不雅二维纳米复合材料的性能却呈指数级下跌,主如若因为在宏不雅二维纳米材料拼装体中二维纳米片之间的应力很难有用传递。现在,进步二维纳米复合材料力学性能的政策主要有:(1)进步纳米片的取向度;(2)增强纳米片间的界面作用;(3)进步纳米复合材料的密实度。基于以上三种政策养殖出了诸如剪切力调换有序拼装、界面交联和孔隙填充等程序,可是这些程序多依赖于湿化学法进行拼装,在制备进程中二维纳米材料不能幸免地会资历毛细减轻,从而裁减二维纳米材料的取向度。超临界干燥和冷冻干燥固然不错有用幸免毛细减轻,但会导致材料拼装密度较低且能耗高,无法称心材料相应的力学性能条款。连年来发展的外力拉伸调换取向政策不错同期进步二维纳米复合材料薄膜的取向度和密实度,但会导致材料在拉伸标的和非拉伸标的的力学性能呈现彰着相反,使薄膜呈现出彰着的面内各向异性,放纵了薄膜的应用。

针对上述问题,筹谋团队讹诈抓续真空抽滤法将体积水漂浮为纳米限域水,讹诈纳米限域水在室温下难以蒸发的特质,有用幸免了纳米片的毛细减轻,已毕了限域客体对主体材料(纳米片)的取向度调控,制备出了真确道理上具有面内各向同性的π-π交联Ti3C2Tx石墨烯(πBMG)薄膜,为其他二维材料的有序拼装提供了一种全新的政策。

要点一:纳米限域效应提高密实度和取向度

在二维纳米复合材料的湿化学法拼装进程中,由于毛细减轻的存在,导致纳米复合材料高密实度和高取向度难以兼得,筹谋团队以具有相同尺寸的氧化石墨烯(GO)和Ti3C2Tx纳米片为原料,在室温下通过抓续真空抽滤的程序将水分子放纵在纳米片层间,变成室温下相识的纳米限域水,有用裁减了纳米片的毛细减轻,制备出了高度取向的面内各向同性Ti3C2Tx交联GO(MGO)先行者体薄膜,同期已毕了MGO膜的高密实度和高取向度。

图1 MGO薄膜的制备进程和纳米限域水构型

原子力显微镜红外光谱(AFM-IR)证据了MGO薄膜里面均匀的水分子散布,这些均匀散布的纳米限域水通过延迟的二维平面氢键麇集与纳米片主体作用,有用相识了纳米片的取向。

图2 薄膜的水分子散布和取向

要点二:室温常压构筑政策已毕绿色低碳制造

在室温常压下制备具有面内各向同性的高性能纳米复合材料一直是该界限的筹谋难点。筹谋者们对高度取向的MGO薄膜进行复原和π-π交联,不仅进步了薄膜的取向度,同期有用裁减了薄膜里面的孔隙率,制备出了具有超高力学性能的面内各向同性π-π交联Ti3C2Tx石墨烯(πBMG)薄膜。其拉伸强度高达1.87GPa, 杨氏模量高达98.7GPa,高于现在文件报说念室温下制备的其他石墨烯薄膜,该政策有用裁减了高性能纳米复合材料的制造能耗,已毕了绿色低碳制造。

图3 πBMG薄膜的制备进程和结构表征

图4 πBMG薄膜的力学性能及与其他材料的对比

要点三:规整结构助力纳米复合材料高密度储能

集优异力学性能、轻量化和高密度储能的电极材料是制备柔性储能器件的理思材料,可是现在大部分柔性电极材料的力学性能均无法与传统的集流体比好意思。πBMG薄膜的比拉伸强度出高于现在常用商用集流体,符合用作自撑抓电极。此外,πBMG薄膜在3MH2SO4水系电解液中体积比容量达到828Ccm-3高于现在文件报说念的其他石墨烯基电极材料,为石墨烯基自撑抓电极的轻量化、高密度储能提供了重要参考。

图5 πBMG薄膜的电化学性能

好意思国德克萨斯大学达拉斯分校房少立解释、Ray H. Baughman院士、江雷院士在纳米限域效应进步力学性能方面作念出了重要孝顺,中国科学院理化时刻筹谋所李明珠筹谋员和中国科学院进程工程筹谋所王艳磊副筹谋员别离在纳米限域拼装践诺和表面模拟方面作念出了重要孝顺,部分模拟计较得到北航高性能计较中心的放纵支抓。中国科学院物理筹谋所张庆华筹谋员和清华大学谷林解释团队为本职责提供了透射电镜表征,天津大学仇巍解释为本职责提供了原位拉曼表征,国度纳米中心张建皆筹谋员和北京航空航天大学刘禺博士为本职责提供了WAXS表征,中科院生物物理筹谋所贾星博士和展开国博士为本职责提供了FIB-SEM表征,北京航空航天大学张栖文敦厚为本职责提供了AFM-IR表征,北京化工大学闫俊解释为本职责提供了电化学分析的表面提醒。该筹谋职责得到了科技部重心研发计算(2021YFA0715700)、国度隆起后生科学基金(52125302)、国度当然科学基金(52350012,22075009)及111引智计算(B14009)等技俩的资助。

附:来自北航的优秀作家简介

第一作家 杨娇

北京航空航天大学化学学院2019级博士筹谋生,师从程群峰解释,主要从事仿生多功能纳米复合材料筹谋,以第一作家在Science, Nano Energy和Nano Research期刊发表3篇论文。

通信作家 程群峰

北京航空航天大学化学学院解释,博士生导师,国度级领军东说念主才,从事仿生纳米复合材料的筹谋职责,发现了裁减纳米复合材料力学性能的“孔隙”新情景,发展了遗弃孔隙的新政策,创制了轻质高强纳米复合材料。获北京市隆起后生中关村奖、茅以升北京后生科技奖、中国化学会后生化学奖等。担任中国复合材料学会纳米复合材料分会常务副主任;Chinese Chemical Letters、Biomaterials Advances、Giant等期刊编委。以通信作家在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS等期刊发表论文100余篇,援用8000余次,H因子51,授权中国发明专利35项。

论文诱骗:https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3549

程群峰课题组网站诱骗:-cn/

(审核:李建伟)

裁剪:贾爱平



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