基于纳米纤维素诱导MXene自组装的柔性功能材料结构调控与性能研究

Transition metal carbides/nitrides (MXene) have become the hot topic of two-dimensional functional materials research due to their advanced electrical and electrochemical performance. However, MXene-based functional materials have common key problems of poor mechanical properties, foldability and stability, which limit their applications in flexible and wearable functional materials. Besides, it is a frontier issue to improve the macroscopic performance of MXene-based functional materials through morphological structure regulation. This project is proposed to design and synthesize MXene/cellulose nanofiber (CNF)-based composite materials with excellent mechanical strength, flexibility, functionality and stability against deformation. Regulate the morphological structure of MXene/CNF composites through CNF templated MXene self-assembly and MXene-CNF interfacial interaction design, and elucidate the structure regulation mechanism. On this basis, we would investigate the influence rules of surface interaction-morphological structure-macroscopic performance of MXene-CNF composite system, build the structure-performance theoretical model, and optimize the preparation process of high-performance MXene/CNF composite functional materials. Finally, we plan to design and develop high-performance flexible and foldable functional materials based on MXene/CNF composites. This project is expected to provide important materials and technology to the development of modern portable and wearable electronics.

过渡金属碳氮化合物（MXene）由于其卓越的电学与电化学性能成为二维功能材料领域的热点研究方向。然而，力学强度低、柔韧性与可折叠性差、形变稳定性差等共性关键问题限制了MXene在柔性可折叠功能材料方面的应用。通过形貌结构调控实现MXene基复合材料性能提高是功能材料领域的前沿问题。本项目拟设计制备兼具优异力学强度、柔韧性、功能性与形变稳定性的MXene/纳米纤维素（CNF）基复合功能材料；通过CNF模板效应诱导MXene自组装与界面结构设计，实现MXene/CNF复合材料的形貌结构调控并阐明其原理；探索研究MXene-CNF复合材料体系界面结合-形貌结构-宏观性能之间的相互作用规律，建立结构-性能理论模型，优化高性能MXene/CNF基功能复合材料的制备工艺。最后，以MXene/CNF基复合材料为原料设计制备高性能柔性可折叠功能材料，为新型柔性可穿戴电子器件的发展提供关键材料和技术。

新型二维功能材料过渡金属碳化物（MXene）由于其优异的导电性、多功能性、丰富的表面官能团和良好的溶液加工性在材料科学领域受到了广泛关注，在电化学储能、电磁屏蔽、热管理等领域展现出了极好的应用潜力。然而，由于MXene片层间的相互作用力较差，MXene基材料普遍存在强度低、柔韧性差、结构稳定性差等问题，限制了其在柔性器件领域的应用。本研究以纳米纤维素（CNF）为模板诱导MXene材料自组装，制备了一系列柔韧、高强、可折叠的MXene/CNF基复合薄膜，相比纯MXene薄膜，其拉伸强度（237.1 MPa）、杨氏模量（8.5 GPa）和韧性（10.9 MJ m-3）均有2~3个数量级的提高，根本性地解决MXene基复合材料力学强度较差、柔韧性差、无法折叠等关键问题。通过调控MXene与CNF之间的表界面相互作用和加工成型工艺，制备了具有叶片、贻贝、竹节等多种仿生结构的多功能复合薄膜，系统地研究了MXene-CNF体系界面作用-形貌结构-宏观性能之间的相互影响规律，为高性能MXene/CNF复合材料的优化制备提供设计思路和指导思想。结合MXene的多功能性，探索了柔性MXene/CNF复合薄膜在电化学储能、电磁屏蔽、驱动器、热管理、红外隐身等领域的应用。本研究工作对高强、柔性、可折叠MXene基功能复合材料的优化制备以及新型可穿戴电子器件的发展与应用具有重要意义。