比人类发丝薄百倍的一维纳米材料有望革新下一代电池

通过将堆叠片状结构改造为开放式管状结构，这种新材料能降低电池内阻并提升储能性能。

德雷塞尔大学的研究人员开发出重塑MXenes（一类高导电性纳米材料）的新方法，将其转化为一维结构，有望提升电池、生物传感器和可穿戴电子设备的性能。研究团队创建了可扩展的生产工艺，能将扁平的二维MXene片材卷曲成超薄管状结构——MXene纳米卷。

这些纳米卷的厚度仅约为人类发丝的百分之一，且导电效率优于其平面结构版本。MXenes因卓越的导电性和化学多功能性，十余年来持续受到学界关注。然而，制备高质量的一维MXene结构始终是技术难点。

研究人员指出，材料形态对其性能具有决定性影响。虽然平面结构在许多系统中表现良好，但一维形态在需要快速传输或机械增强的应用中更具优势。"二维形态在很多应用中非常重要，但某些场景下一维形态更具优势，"德雷塞尔大学工程学院杰出教授、巴赫讲席教授尤里·高果提博士解释道，"这好比比较钢板与金属管或钢筋的性能差异。"

通过将MXene片材卷成管状，团队创造出允许离子更自由移动的中空结构。这些管状体还能在保持导电性的同时增强聚合物或金属的力学性能。"在标准二维MXene中，片层相互堆叠形成了密闭空间，离子或分子难以在层间穿行，"德雷塞尔大学博士后研究员张腾博士表示，"将二维纳米片转化为一维卷曲结构，恰好规避了这种纳米限域效应。"

可控卷曲工艺

该工艺从多层MXene片材开始。研究人员通过精密调控水基化学环境改变表面化学性质，引发了被称为"Janus反应"的结构失衡。由此产生的内应力使材料层剥离并卷曲成紧密的螺旋结构。团队在六种不同MXenes材料上测试了该方法，包括碳化钛、碳化铌、碳化钒、碳化钽和碳氮化钛，均获得稳定结果。

研究人员成功制备出高达10克且形态成分可控的纳米卷，而传统方法常导致结构不规则或损伤。与堆叠的MXene片相比，管状几何结构暴露出更多活性表面积，显著提升了离子和分子的可及性——这对电池和化学传感至关重要。"在标准堆叠二维结构中，分子吸附的活性位点常隐藏在层间，"高果提指出，"纳米卷开放的中空结构通过让分析物更易接触MXene表面，完美解决了这一问题。"

团队还发现电场可控制溶液中纳米卷的取向，这有助于在纤维或纺织品中实现有序排列。"想象一下操控数百万根比发丝细百倍的微管，让它们编织成导线或垂直竖立构成刷状结构，"张腾描述道。在碳化铌纳米卷制成的柔性薄膜中，研究人员还观察到超导现象，计划进一步探究其背后的物理机制。

该研究成果已发表于《先进材料》期刊。

如果朋友们喜欢，敬请关注“知新了了”！