Yury Gogotsi & Clive A. Randall教授AM：低温烧结ZnO–MXene陶瓷纳米复合材料

【引言】

近年来，2D材料由于优异的机械、电学和化学特性，和在纳米复合材料中巨大的应用前景而引起了科研方面极大的兴趣。这些2D材料包括：石墨烯（graphene）、硅烯（silicene）、锗烯（germanene）、磷烯（phosphorene）、硫化物（chalcogenides）、过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）等。

其中，MXenes（2D规整Mn+1XnTx层，M=Ti, V, Nb,Ta, Cr, Mo；X=C，N；Tx=-OH,=O，-F）具有高导电性和机械性。将少量的MXenes作为增强剂引入基质材料（如：陶瓷），可以很大程度上提高其的强度、硬度和电导率。

所以，2D材料作为增强剂改性基质材料，为新材料的发展和应用提供了可能。然而，通常2D材料在引入的过程中会与基体存在热力学上的不兼容。为了解决这个问题，本文工作中采取了低温烧结的方法，将ZnO–MXene引入陶瓷基体，制备出了一种新型的纳米复合材料。

【成果简介】

近日，吉林大学&美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授和宾西法尼亚州立大学Clive A. Randall教授课题组制备出一种新型的纳米复合材料，即ZnO–MXene陶瓷纳米复合材料，2D Ti3C2Tx MXene基材料作为增强剂，并均匀沿着ZnO晶粒分布，陶瓷材料作为基体。因为陶瓷基体的致密化过程需要高温高压处理，在引入的过程中与2D MXene基材料存在热力学上的不兼容。为此，研究人员利用MXene表层的电负性，引入Zn2+，并在空气中煅烧，形成ZnO–Ti3C2Tx颗粒。然后采取了低温烧结的方法，将ZnO–Ti3C2Tx颗粒引入陶瓷基体。在这个过程中，2D材料与陶瓷基体的致密化，不会改变其结构和化学功能，也不需要更高的能量和费用。该研究成果发表于能源顶级期刊Adv. Mater，IF=21.95。

   （a）(1-y)ZnO–yTi3C2Tx纳米复合材料晶粒边界; （b）复合材料低温烧结示意图

【图文解析】

图1. 300℃时1h低温烧结ZnO–Ti3C2Tx纳米复合材料密度曲线（a）和烧结前（b）ZnO、（c）99ZnO–1Ti3C2Tx 粉末及其烧结后（d）、（e）SEM图；（j-l）99ZnO–1Ti3C2Tx纳米材料EDS图

图2.（a）电导率;（b）塞贝克系数和（c）功率因数随温度变化曲线

图3. 300℃时1h低温烧结ZnO–Ti3C2Tx纳米复合材料机械性能.（a）硬度模量;（b）弹性模量

【小结】

本文利用2D的Ti3C2Tx MXene作为增强剂，并均匀沿着ZnO晶粒分布，基体材料为陶瓷，通过低温烧结的方法制备出ZnO–MXene陶瓷纳米复合材料。陶瓷纳米复合材料低温烧结时致密化，之前从来没有报道过。这种材料的成功制备证明了低温烧结的可能性，也为其它纳米复合材料的制备提供了一条新的路径。

1. ZnO–MXene陶瓷纳米复合材料在300℃低温烧结时，致密化程度达到了理论密度的92–98% ；

2. 在复合材料中，当MXene含量达到5wt%时，电导率增大了1-2个数量级；

3. 在复合材料中， MXene含量为0.5wt%时，硬度模量和弹性模量会增加40–50%，而当含量为5wt%时，模量增加量超过150%。

Jing Guo, Benjamin Legum, Babak Anasori, Ke Wang, Pavel Lelyukh,Yury Gogotsi, Clive A. Randall; Cold Sintered Ceramic Nanocomposites of 2D MXene and Zinc Oxide; Adv. Mater., 2018, DOI:10.1002/adma.201801846