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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。

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

   (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】

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

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

 

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

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

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

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

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