北航新聞網(wǎng)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(xué)化學(xué)學(xué)院程群峰教授團隊在納米復(fù)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(nèi)各向同性Ti3C2Tx交聯(lián)石墨烯復(fù)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(xué)學(xué)院博士研究生楊嬌為第一作者，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員李明珠、美國德克薩斯大學(xué)達拉斯分校教授房少立、中國科學(xué)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(xué)化學(xué)學(xué)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(xué)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(yè)和信息化部、科學(xué)技術(shù)部、財政部、中國民用航空局等四部門聯(lián)合印發(fā)了《綠色航空制造業(yè)發(fā)展綱要（2023—2035年）》，指出發(fā)展綠色航空制造業(yè)是應(yīng)對氣候變化、實現(xiàn)航空產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必然要求。其中輕量化材料是綠色航空發(fā)展的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。目前波音787、空客A350客機、C919客機大量使用碳纖維復(fù)合材料，實現(xiàn)減重和節(jié)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(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，是未來實現(xiàn)綠色航空目標的理想材料。如何將二維納米材料優(yōu)異的本征性能在宏觀組裝體中實現(xiàn)是該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。

北京航空航天大學(xué)程群峰教授團隊長期致力于仿生納米復(fù)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(xué)習，程群峰教授團隊發(fā)展了納米復(fù)合材料的綠色仿生構(gòu)筑策略，發(fā)明了有序化學(xué)交聯(lián)及其協(xié)同作用策略，創(chuàng)制了高強導(dǎo)電輕量化功能納米復(fù)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(dǎo)致二維納米材料的褶皺，解決了濕化學(xué)法組裝二維納米材料結(jié)構(gòu)不致密，取向度低的關(guān)鍵科學(xué)問題，實現(xiàn)了納米復(fù)合材料力學(xué)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(xué)性能，然而由它們組裝成的宏觀二維納米復(fù)合材料的性能卻呈指數(shù)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(yīng)力很難有效傳遞。目前，提升二維納米復(fù)合材料力學(xué)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(fù)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(dǎo)有序組裝、界面交聯(lián)和孔隙填充等方法，然而這些方法多依賴于濕化學(xué)法進行組裝，在制備過程中二維納米材料不可避免地會經(jīng)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(dǎo)致材料組裝密度較低且能耗高，無法滿足材料相應(yīng)的力學(xué)性能要求。近年來發(fā)展的外力拉伸誘導(dǎo)取向策略可以同時提升二維納米復(fù)合材料薄膜的取向度和密實度，但會導(dǎo)致材料在拉伸方向和非拉伸方向的力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯差異，使薄膜呈現(xiàn)出明顯的面內(nèi)各向異性，限制了薄膜的應(yīng)用。

針對上述問題，研究團隊利用持續(xù)真空抽濾法將體積水轉(zhuǎn)化為納米限域水，利用納米限域水在室溫下難以揮發(fā)的特性，有效避免了納米片的毛細收縮，實現(xiàn)了限域客體對主體材料（納米片）的取向度調(diào)控，制備出了真正意義上具有面內(nèi)各向同性的π-π交聯(lián)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(yīng)提高密實度和取向度

在二維納米復(fù)合材料的濕化學(xué)法組裝過程中，由于毛細收縮的存在，導(dǎo)致納米復(fù)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(xù)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(wěn)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(nèi)各向同性Ti3C2Tx交聯(lián)GO（MGO）前驅(qū)體薄膜，同時實現(xiàn)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(gòu)型

原子力顯微鏡紅外光譜（AFM-IR）證實了MGO薄膜內(nèi)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(wǎng)絡(luò)與納米片主體作用，有效穩(wěn)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(gòu)筑策略實現(xiàn)綠色低碳制造

在室溫常壓下制備具有面內(nèi)各向同性的高性能納米復(fù)合材料一直是該領(lǐng)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(lián)，不僅提升了薄膜的取向度，同時有效降低了薄膜內(nèi)部的孔隙率，制備出了具有超高力學(xué)性能的面內(nèi)各向同性π-π交聯(lián)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(fù)合材料的制造能耗，實現(xiàn)了綠色低碳制造。

圖3 πBMG薄膜的制備過程和結(jié)構(gòu)表征

圖4 πBMG薄膜的力學(xué)性能及與其他材料的對比

要點三：規(guī)整結(jié)構(gòu)助力納米復(fù)合材料高密度儲能

集優(yōu)異力學(xué)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(xué)性能均無法與傳統(tǒng)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(xué)性能

美國德克薩斯大學(xué)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(yīng)提升力學(xué)性能方面做出了重要貢獻，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所李明珠研究員和中國科學(xué)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(xué)院物理研究所張慶華研究員和清華大學(xué)谷林教授團隊為本工作提供了透射電鏡表征，天津大學(xué)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(xué)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(xué)張棲文老師為本工作提供了AFM-IR表征，北京化工大學(xué)閆俊教授為本工作提供了電化學(xué)分析的理論指導(dǎo)。該研究工作得到了科技部重點研發(fā)計劃（2021YFA0715700）、國家杰出青年科學(xué)基金（52125302）、國家自然科學(xué)基金（52350012，22075009）及111引智計劃（B14009）等項目的資助。

附：來自北航的優(yōu)秀作者簡介

第一作者 楊嬌

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)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(fù)合材料研究，以第一作者在Science, Nano Energy和Nano Research期刊發(fā)表3篇論文。

通訊作者 程群峰

北京航空航天大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，國家級領(lǐng)軍人才，從事仿生納米復(fù)合材料的研究工作，發(fā)現(xiàn)了降低納米復(fù)合材料力學(xué)性能的“孔隙”新現(xiàn)象，發(fā)展了消除孔隙的新策略，創(chuàng)制了輕質(zhì)高強納米復(fù)合材料。獲北京市杰出青年中關(guān)村獎、茅以升北京青年科技獎、中國化學(xué)會青年化學(xué)獎等。擔任中國復(fù)合材料學(xué)會納米復(fù)合材料分會常務(wù)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(fā)表論文100余篇，引用8000余次，H因子51，授權(quán)中國發(fā)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(wǎng)站鏈接： http://chengresearch.net/zh/home-cn/