北航Nature子刊：超高韌性石墨烯片！1.7萬次彎曲后穩定性仍達98%

導讀：柔性還原氧化石墨烯(rGO)薄片機械性能和電導率差制約其應用。本文制備的MXene功能化石墨烯(MrGO-AD)片顯示出超高的韌性、高的斷裂應變，同時抗拉強度和導電性也得到了相應提高，可達~699.1±30.6MPa。利用MrGO-AD片組裝的柔性超級電容器經17000次彎曲至180°后，電容保持率仍可達98%。發現超高韌性的機理是Ti-O-C共價鍵和π-π橋接之間的協同界面交互作用，以及堆疊的MXene納米片的滑動。

柔性還原氧化石墨烯(rGO)薄片正考慮應用于便攜式電子設備和柔性能源存儲系統。然而，rGO片較差的機械性能和電導率，制約了其發展。近日，北京航天航空大學等單位研究者，使用MXene (M)納米片通過Ti-O-C共價鍵對rGO片晶進行功能化，從而獲得MrGO片。相關論文以題為“Super-tough MXene-functionalized graphene sheets”發表在Nature Communications上。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15991-6

由于對移動設備需求的不斷增長，特別是便攜式電氣設備和靈活的能源存儲系統，柔性還原氧化石墨烯(rGO)薄片正被考慮用于此類應用。然而，純粹的rGO片的主要缺點是機械性能和電導率差。為移動應用程序優化這些薄片的潛力還沒有完全實現。目前，增強石墨烯片的一種方法是引入不同的界面相互作用，如氫鍵、離子鍵、π-π橋接、共價鍵，組合不同的界面交互。一個關鍵的挑戰是設計方法來同時提高柔性移動設備rGO片的機械性能和電導率。最近，新的二維(2D)材料，過渡金屬碳化物(Ti3C2Tx, MXenes)，由于其高電導率、大比表面積、優異的電化學性能和良好的強度而得到廣泛的研究。因此，具有表面終止基(Tx)，例如OH、O和F的MXene納米薄片是功能化氧化石墨烯片晶的良好候選材料。

在這里，研究者演示了通過Ti-O-C共價鍵獲得的聚甲基丙烯酸酯功能化和交聯的氧化石墨烯(GO)片晶。在基于篩選的片材制備過程中，MXene和氧化石墨烯之間的反應提供了異質片材連接。經過GO還原后，在相鄰rGO片晶之間通過共軛分子(1-氨基戊二烯(AP)-辛二酸二琥珀酰亞胺酯, AD)形成了π-π橋相互作用。至此，涉及Ti-O-C共價鍵和π-π橋接的協同界面交互作用發生在MXene-功能化石墨烯(MrGO-AD)片中。MrGO-AD顯示出超高的韌性(~42.7 MJ m-3)和12.0%的高破壞應變。與此同時，抗拉強度和導電性也得到了相應提高，最高可達~699.1 MPa和~1329.0 S cm-1。

原位拉曼光譜和分子動力學模擬共同揭示了超高韌性是由于Ti-O-C共價鍵和π-π橋接之間的協同界面交互作用，以及堆疊的MXene納米片的滑動。此外，廣角和小角X射線散射(WAXS和SAXS)表明rGO片晶的取向和MrGO-AD片的致密性都得到了增強。利用MrGO-AD片組裝的柔性超級電容器提供了約~13.0mWh cm-3的體積能量密度和出色的靈活性，經17000次彎曲至180°后，電容保持率仍可達98%。