北航新聞網2月16日電（航宣）2024年2月16日，《Science》雜志報道了北京航空航天大學化學學院程群峰教授團隊在納米復合材料研究上取得的最新進展：《Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage》，該工作首次利用納米限域水在室溫常壓下制備了具有超高拉伸強度（1.87GPa）的面內各向同性Ti3C2Tx交聯石墨烯復合薄膜，為其他二維材料的有序組裝提供了一種新的策略【Science2024, 383,771】。
北航化學學院博士研究生楊嬌為第一作者，中國科學院理化技術研究所研究員李明珠、美國德克薩斯大學達拉斯分校教授房少立、中國科學院過程工程研究所副研究員王艷磊為共同一作，北京航空航天大學化學學院為第一單位，程群峰教授為第一單位通訊作者，美國德克薩斯大學達拉斯分校Ray H. Baughman教授為合作單位通訊作者。
2023年10月1日，工業和信息化部、科學技術部、財政部、中國民用航空局等四部門聯合印發了《綠色航空制造業發展綱要（2023—2035年）》，指出發展綠色航空制造業是應對氣候變化、實現航空產業可持續發展的必然要求。其中輕量化材料是綠色航空發展的關鍵核心技術之一。目前波音787、空客A350客機、C919客機大量使用碳纖維復合材料，實現減重和節能減排。和碳纖維相比，石墨烯和碳化鈦（Ti3C2Tx）等二維納米材料具有更加優異的力學和電學性能，是未來實現綠色航空目標的理想材料。如何將二維納米材料優異的本征性能在宏觀組裝體中實現是該領域亟待解決的關鍵科學問題。
北京航空航天大學程群峰教授團隊長期致力于仿生納米復合材料的研究，取得了一系列重要研究進展（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.）。通過向自然學習，程群峰教授團隊發展了納米復合材料的綠色仿生構筑策略，發明了有序化學交聯及其協同作用策略，創制了高強導電輕量化功能納米復合材料。最近，程群峰教授提出了納米限域組裝策略，通過納米限域水輔助二維納米材料組裝，消除了毛細收縮導致二維納米材料的褶皺，解決了濕化學法組裝二維納米材料結構不致密，取向度低的關鍵科學問題，實現了納米復合材料力學性能的突破。
石墨烯和Ti3C2Tx等二維納米材料的單層納米片通常具有超高的力學性能，然而由它們組裝成的宏觀二維納米復合材料的性能卻呈指數級下降，主要是因為在宏觀二維納米材料組裝體中二維納米片之間的應力很難有效傳遞。目前，提升二維納米復合材料力學性能的策略主要有：（1）提升納米片的取向度；（2）增強納米片間的界面作用；（3）提升納米復合材料的密實度。基于以上三種策略衍生出了諸如剪切力誘導有序組裝、界面交聯和孔隙填充等方法，然而這些方法多依賴于濕化學法進行組裝，在制備過程中二維納米材料不可避免地會經歷毛細收縮，從而降低二維納米材料的取向度。超臨界干燥和冷凍干燥雖然可以有效避免毛細收縮，但會導致材料組裝密度較低且能耗高，無法滿足材料相應的力學性能要求。近年來發展的外力拉伸誘導取向策略可以同時提升二維納米復合材料薄膜的取向度和密實度，但會導致材料在拉伸方向和非拉伸方向的力學性能呈現明顯差異，使薄膜呈現出明顯的面內各向異性，限制了薄膜的應用。
針對上述問題，研究團隊利用持續真空抽濾法將體積水轉化為納米限域水，利用納米限域水在室溫下難以揮發的特性，有效避免了納米片的毛細收縮，實現了限域客體對主體材料（納米片）的取向度調控，制備出了真正意義上具有面內各向同性的π-π交聯Ti3C2Tx石墨烯（πBMG）薄膜，為其他二維材料的有序組裝提供了一種全新的策略。
要點一：納米限域效應提高密實度和取向度
在二維納米復合材料的濕化學法組裝過程中，由于毛細收縮的存在，導致納米復合材料高密實度和高取向度難以兼得，研究團隊以具有相似尺寸的氧化石墨烯（GO）和Ti3C2Tx納米片為原料，在室溫下通過持續真空抽濾的方法將水分子限制在納米片層間，形成室溫下穩定的納米限域水，有效降低了納米片的毛細收縮，制備出了高度取向的面內各向同性Ti3C2Tx交聯GO（MGO）前驅體薄膜，同時實現了MGO膜的高密實度和高取向度。
圖1 MGO薄膜的制備過程和納米限域水構型
原子力顯微鏡紅外光譜（AFM-IR）證實了MGO薄膜內部均勻的水分子分布，這些均勻分布的納米限域水通過擴展的二維平面氫鍵網絡與納米片主體作用，有效穩定了納米片的取向。
圖2 薄膜的水分子分布和取向
要點二：室溫常壓構筑策略實現綠色低碳制造
在室溫常壓下制備具有面內各向同性的高性能納米復合材料一直是該領域的研究難點。研究者們對高度取向的MGO薄膜進行還原和π-π交聯，不僅提升了薄膜的取向度，同時有效降低了薄膜內部的孔隙率，制備出了具有超高力學性能的面內各向同性π-π交聯Ti3C2Tx石墨烯（πBMG）薄膜。其拉伸強度高達1.87GPa, 楊氏模量高達98.7GPa，高于目前文獻報道室溫下制備的其他石墨烯薄膜，該策略有效降低了高性能納米復合材料的制造能耗，實現了綠色低碳制造。
圖3 πBMG薄膜的制備過程和結構表征
圖4 πBMG薄膜的力學性能及與其他材料的對比
要點三：規整結構助力納米復合材料高密度儲能
集優異力學性能、輕量化和高密度儲能的電極材料是制備柔性儲能器件的理想材料，然而目前大部分柔性電極材料的力學性能均無法與傳統的集流體媲美。πBMG薄膜的比拉伸強度出高于目前常用商用集流體，適合用作自支撐電極。此外，πBMG薄膜在3MH2SO4水系電解液中體積比容量達到828Ccm-3高于目前文獻報道的其他石墨烯基電極材料，為石墨烯基自支撐電極的輕量化、高密度儲能提供了重要參考。
圖5 πBMG薄膜的電化學性能
美國德克薩斯大學達拉斯分校房少立教授、Ray H. Baughman院士、江雷院士在納米限域效應提升力學性能方面做出了重要貢獻，中國科學院理化技術研究所李明珠研究員和中國科學院過程工程研究所王艷磊副研究員分別在納米限域組裝實驗和理論模擬方面做出了重要貢獻，部分模擬計算得到北航高性能計算中心的大力支持。中國科學院物理研究所張慶華研究員和清華大學谷林教授團隊為本工作提供了透射電鏡表征，天津大學仇巍教授為本工作提供了原位拉曼表征，國家納米中心張建齊研究員和北京航空航天大學劉禺博士為本工作提供了WAXS表征，中科院生物物理研究所賈星博士和張建國博士為本工作提供了FIB-SEM表征，北京航空航天大學張棲文老師為本工作提供了AFM-IR表征，北京化工大學閆俊教授為本工作提供了電化學分析的理論指導。該研究工作得到了科技部重點研發計劃（2021YFA0715700）、國家杰出青年科學基金（52125302）、國家自然科學基金（52350012，22075009）及111引智計劃（B14009）等項目的資助。
附：來自北航的優秀作者簡介
第一作者 楊嬌
北京航空航天大學化學學院2019級博士研究生，師從程群峰教授，主要從事仿生多功能納米復合材料研究，以第一作者在Science, Nano Energy和Nano Research期刊發表3篇論文。
通訊作者 程群峰
北京航空航天大學化學學院教授，博士生導師，國家級領軍人才，從事仿生納米復合材料的研究工作，發現了降低納米復合材料力學性能的“孔隙”新現象，發展了消除孔隙的新策略，創制了輕質高強納米復合材料。獲北京市杰出青年中關村獎、茅以升北京青年科技獎、中國化學會青年化學獎等。擔任中國復合材料學會納米復合材料分會常務副主任；Chinese Chemical Letters、Biomaterials Advances、Giant等期刊編委。以通訊作者在Science, Nat. Mater., Nat. Commun., PNAS等期刊發表論文100余篇，引用8000余次，H因子51，授權中國發明專利35項。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3549
程群峰課題組網站鏈接：http://chengresearch.net/zh/home-cn/
本文鏈接：北航教授程群峰團隊在納米復合材料研究上獲新進展http://m.sq15.cn/show-11-3023-0.html
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