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Angew. Chem. :MXene桥接诱导的强韧导电贝壳2024-08-24
贝壳是一种资源丰富、价格低廉的天然可再生资源,其生物活性、耐腐蚀性、和优异的断裂韧性等引起了研究人员的极大关注。全球每年有超过千万吨的贝壳被倾倒在垃圾填埋场,导致严重的环境污染和自然资源损失,如何变废为宝?充分利用贝壳废弃物成为研究的热点。

鲍鱼壳是贝壳中的一种典型代表,其珍珠层由95 %体积含量的文石片(AP)和5 %体积含量的蛋白质等以“砖-泥”结构致密堆垛而成,其断裂韧性比文石片高三个数量级,为构筑高性能块体纳米复合材料提供了仿生启示。和其他二维纳米片,例如氧化铝、蒙脱石、云母、层状双氢氧化物、氧化石墨烯、过渡金属碳/氮化物(MXene)等相比,文石片是一种价格低廉、易得的天然仿生基元材料。基于此,北京航空航天大学程群峰教授课题组开发了从鲍鱼壳规模化剥离文石片的技术,将MXene纳米片作为功能基元材料,利用氢键桥接,将文石片重新组装成仿生层状纳米复合材料,称之为导电贝壳。

 

 

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导电贝壳的单层为MXene功能化文石片(MXene@AP),其厚度比文献报道的仿珍珠层纳米复合材料的单层厚度(20-40 μm)低近两个数量级。因此,通过MXene纳米片的桥接和氢键结合,形成了更加丰富的三维界面网络,有效抑制了裂纹扩展,提高了力学性能。导电贝壳展示出优异的弯曲强度(~282 MPa)和断裂韧性(~6.3 MPa m1/2),分别是天然鲍鱼壳珍珠层的1.6倍,其综合力学性能可以与许多仿珍珠层纳米复合材料和工程材料相媲美。

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导电贝壳的断裂形貌和理论模拟揭示了其增韧机制:导电贝壳中的渐进式界面破坏导致裂纹偏转,同时在裂纹尖端处产生摩擦滑动、MXene@AP片层的拔出,形成的裂纹桥接和裂纹分支有效地耗散了能量。

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MXene纳米片桥接文石片形成的导电网络赋予了导电贝壳优异的电导率,超越天然鲍鱼壳珍珠层,因此导电贝壳不仅具有结构完整性的自监测功能,还具有优异的电磁屏蔽效能。

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总之,程群峰教授课题组利用贝壳废弃物剥离的文石片,通过功能基元MXene纳米片桥接组装,成功构筑了导电贝壳,不仅力学性能高于天然贝壳,而且赋予了新功能。文章提出的变废为宝仿生组装策略为可持续再利用资源提供了一种光明途径。

文信息

Strong and Tough MXene Bridging-induced Conductive Nacre

Jia Yan, Dr. Tianzhu Zhou, Xinyu Yang, Zejun Zhang, Lei Li, Prof. Zhaoyong Zou, Prof. Zhengyi Fu, Prof. Qunfeng Cheng

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202405228

 

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