山東大學(xué)曾志輝、劉久榮、吳娜AM：新型MXene氣凝膠實(shí)現(xiàn)無(wú)溶劑常壓干燥，兼具優(yōu)異力學(xué)與多功能性能

二維過渡金屬碳化物/氮化物（MXene）因其獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)，在電磁屏蔽、微波吸收、能源存儲(chǔ)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。構(gòu)建輕質(zhì)多孔的MXene氣凝膠能有效防止納米片團(tuán)聚，保持高比表面積和電化學(xué)活性。然而，傳統(tǒng)制備方法如冷凍干燥、超臨界干燥等依賴苛刻的溫度壓力條件，能耗高、難以規(guī)模化，制約了其實(shí)際應(yīng)用。常壓干燥策略雖具備節(jié)能和成本優(yōu)勢(shì)，但MXene納米片間弱范德華力導(dǎo)致凝膠機(jī)械脆弱，且在干燥過程中毛細(xì)力易引起結(jié)構(gòu)坍塌。現(xiàn)有常壓干燥方法多依賴有機(jī)溶劑進(jìn)行界面張力調(diào)節(jié)，不僅延長(zhǎng)生產(chǎn)周期，還帶來環(huán)境與經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此開發(fā)無(wú)需溶劑輔助的本征常壓干燥工藝成為迫切需求。

近期，山東大學(xué)曾志輝教授、劉久榮教授和吳娜研究員合作團(tuán)隊(duì)提出一種基于疏水相互作用導(dǎo)向的無(wú)溶劑常壓干燥策略，成功制備出機(jī)械強(qiáng)度顯著提升、兼具可調(diào)電磁功能與熱防護(hù)性能的MXene氣凝膠。該研究通過殼聚糖（CS）與戊二醛（GA）的交聯(lián)調(diào)控，降低親水氨基數(shù)量，實(shí)現(xiàn)氣凝膠疏水性轉(zhuǎn)變，并在干燥過程中抵抗毛細(xì)力，使材料在80%應(yīng)變下壓縮強(qiáng)度達(dá)824 kPa，較傳統(tǒng)冷凍干燥MXene氣凝膠提升約4477%。氣凝膠組分調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)功能切換：CS含量為25.6 wt.%時(shí)，X波段電磁屏蔽效能達(dá)76 dB；CS含量為67.4 wt.%時(shí)，則實(shí)現(xiàn)6.4 GHz寬頻微波吸收。此外，該氣凝膠還表現(xiàn)出優(yōu)異的阻燃性（極限氧指數(shù)60%）、隔熱性及早期火災(zāi)預(yù)警能力，綜合性能優(yōu)于已報(bào)道的納米結(jié)構(gòu)整體材料。相關(guān)論文以“Hydrophobic Interaction-Directed Solvent-Free Ambient-Pressure-Dried MXene Aerogels”為題，發(fā)表在Advanced Materials。

研究團(tuán)隊(duì)通過仿生疏水相互作用引導(dǎo)MXene與CS、GA進(jìn)行雙重物理-化學(xué)交聯(lián)，構(gòu)建穩(wěn)定的疏水框架。在常壓下直接蒸發(fā)水分時(shí)，疏水區(qū)域聚集有效抵抗毛細(xì)力，實(shí)現(xiàn)了無(wú)需溶劑交換的結(jié)構(gòu)完整性保持。該方法具有良好普適性，可擴(kuò)展制備大面積（21×30×3 cm3）、低密度（約37 mg/cm3）的MXene氣凝膠，并可推廣至石墨烯、碳納米管等多種納米材料與生物聚合物體系。氣凝膠在50%應(yīng)變下壓縮強(qiáng)度為223 kPa，模量為686 kPa，均優(yōu)于同類密度的已報(bào)道MXene氣凝膠。

圖1 | 無(wú)溶劑常壓干燥MXene氣凝膠的制備與性能。a) 氣凝膠制備過程示意圖。b) 物理與化學(xué)交聯(lián)策略示意圖。c) 大面積APD MXene氣凝膠（尺寸21 × 30 × 3 cm3），插圖為氣凝膠承載超過自身重量10,000倍的重物，展示其機(jī)械強(qiáng)度。d) 該方法普適性展示：可制備多種無(wú)溶劑APD氣凝膠，密度約37 mg/cm3。e) 本研究APD MXene氣凝膠與同類密度下已報(bào)道MXene氣凝膠在50%應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)度與模量對(duì)比（詳見表S1）。

交聯(lián)度對(duì)氣凝膠結(jié)構(gòu)與性能具有關(guān)鍵影響。當(dāng)GA含量為1.8 wt.%時(shí)，交聯(lián)不完全，氣凝膠呈親水性，接觸角僅17.0°，結(jié)構(gòu)疏松，在干燥過程中易因毛細(xì)力收縮甚至破壞。GA含量增至7.0 wt.%時(shí)，形成適中的雙重交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，接觸角提升至138.0°，氣凝膠具有連續(xù)牢固的孔壁結(jié)構(gòu)，干燥收縮可忽略不計(jì)。而當(dāng)GA含量進(jìn)一步提高至15.8 wt.%時(shí)，過度交聯(lián)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)致密、孔壁增厚，力學(xué)性能反而下降。這一結(jié)構(gòu)演變說明鏈段活動(dòng)性與網(wǎng)絡(luò)剛性之間的平衡對(duì)高性能氣凝膠至關(guān)重要。

圖2 | GA交聯(lián)度對(duì)無(wú)溶劑APD MXene氣凝膠結(jié)構(gòu)與性能的影響。a) 不同材料組合在APD氣凝膠制備中的交聯(lián)效果光學(xué)圖像。b) MXene、GA、CS及交聯(lián)后親水與疏水氣凝膠的FTIR分析。c) GA含量對(duì)氣凝膠80%應(yīng)變下壓縮強(qiáng)度的影響。d) 親水氣凝膠（1.8 wt.% GA，交聯(lián)不完全）及其e) 對(duì)應(yīng)孔壁的SEM圖像，f) 孔壁模量分布。g) 疏水氣凝膠（7.0 wt.% GA，最優(yōu)交聯(lián)）及其h) 對(duì)應(yīng)孔壁的SEM圖像，i) 孔壁模量分布。j) 疏水氣凝膠（15.8 wt.% GA，過度交聯(lián)）及其k) 對(duì)應(yīng)孔壁的SEM圖像，l) 孔壁模量分布。

組分調(diào)節(jié)可進(jìn)一步優(yōu)化氣凝膠的力學(xué)與電磁性能。隨著CS含量增加，氣凝膠壓縮強(qiáng)度顯著提升，在CS含量為47.8 wt.%時(shí)，80%應(yīng)變下壓縮強(qiáng)度達(dá)824 kPa。疏水性的提升使其具備優(yōu)異防水能力，經(jīng)水浴超聲后仍保持結(jié)構(gòu)完整。電磁屏蔽效能隨CS含量增加而下降，但在8.2–40 GHz超寬頻范圍內(nèi)仍保持40–80 dB的優(yōu)異屏蔽效果。高M(jìn)Xene含量利于電磁屏蔽，而適當(dāng)降低MXene含量可優(yōu)化阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)高效微波吸收。當(dāng)MXene含量為32.7 wt.%時(shí)，氣凝膠在4.3 mm厚度下實(shí)現(xiàn)6.4 GHz有效吸收帶寬，覆蓋C、X、Ku波段，吸收性能優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道MXene氣凝膠。

圖3 | 無(wú)溶劑APD MXene氣凝膠的組分依賴性性能。a) 組分可調(diào)APD氣凝膠示意圖。b) 不同CS含量氣凝膠的壓縮曲線，c) 對(duì)應(yīng)80%應(yīng)變下的壓縮強(qiáng)度與模量。d) FD-MXene氣凝膠（左）與無(wú)溶劑APD MXene氣凝膠（右）在水中400W超聲處理20分鐘前后的照片，展示其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與防水能力。e) X波段電磁屏蔽效能（SE）與f) 3 mm厚APD MXene氣凝膠在8.2–40 GHz超寬頻（含X、Ku、K、Ka波段）的SE。g) 不同CS含量、密度37 mg/cm3的3 mm厚APD MXene氣凝膠在10 GHz處的SE反射（SER）、吸收（SEA）與總屏蔽（SET）。h) FD-MXene與APD MXene氣凝膠在95%相對(duì)濕度環(huán)境中存放隨時(shí)間變化的平均X波段SE值。i) APD MXene氣凝膠在不同溶劑中浸泡15天后的X波段SE。

圖4 | 無(wú)溶劑APD MXene氣凝膠的可調(diào)電磁波吸收性能。a) 氣凝膠電磁波損耗機(jī)制示意圖及其在屏蔽與吸收兩方面的應(yīng)用潛力。b) 不同MXene含量氣凝膠的介電常數(shù)實(shí)部與虛部，c) Cole-Cole圖。d) 2–18 GHz范圍內(nèi)不同MXene含量氣凝膠的導(dǎo)電損耗（ε_(tái)e'）與極化損耗（ε_(tái)p'）擬合結(jié)果。e) 含32.7 wt.% MXene氣凝膠的反射損耗（RL）曲線，f) 不同厚度下的有效吸收帶寬（EAB）。g) 本研究APD MXene氣凝膠的EAB與已報(bào)道MXene氣凝膠對(duì)比。

該氣凝膠還集成了阻燃、隔熱與火災(zāi)預(yù)警功能。CS與MXene的協(xié)同作用使其極限氧指數(shù)高達(dá)60%，并通過形成炭層與陶瓷化轉(zhuǎn)化抑制燃燒傳播，保持燃燒后結(jié)構(gòu)完整。在持續(xù)火焰加熱下，氣凝膠表面溫升緩慢，能有效保護(hù)上方物體。此外，氣凝膠具備早期火災(zāi)預(yù)警能力，可持續(xù)報(bào)警約190秒，優(yōu)于多數(shù)已報(bào)道氣凝膠材料，為其在消防安全系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了可能。

圖5 | APD MXene氣凝膠的阻燃、隔熱與火災(zāi)預(yù)警性能。a) 氣凝膠熱防護(hù)功能集成示意圖。b) APD氣凝膠與現(xiàn)有納米結(jié)構(gòu)材料極限氧指數(shù)對(duì)比，展示優(yōu)異阻燃性（插圖為氣凝膠在60%氧濃度下燃燒后照片）。c) 燃燒前后APD氣凝膠結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性示意圖，d) 對(duì)應(yīng)阻燃機(jī)制。e) APD氣凝膠阻燃與隔熱性能測(cè)試（左下插圖為氣凝膠表面溫度），f) FD-MXene氣凝膠與g) FD-CS氣凝膠對(duì)照測(cè)試（左上插圖為放置于氣凝膠上方木塊底面狀態(tài)）。h) APD MXene氣凝膠火災(zāi)預(yù)警性能展示：遇火時(shí)預(yù)警燈亮起。i) APD MXene氣凝膠與已報(bào)道氣凝膠在持續(xù)預(yù)警時(shí)間與楊氏模量方面的對(duì)比。

該研究提出了一種通用、可擴(kuò)展的無(wú)溶劑常壓干燥策略，成功制備出輕質(zhì)高強(qiáng)、電磁功能可調(diào)、具備優(yōu)異熱防護(hù)性能的MXene氣凝膠。該方法避免了高能耗設(shè)備與有機(jī)溶劑使用，為規(guī)模化生產(chǎn)多功能納米結(jié)構(gòu)氣凝膠提供了新途徑，有望推動(dòng)其在航空航天、國(guó)防科技與新一代電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用。