近年来，限域空间纳米流体传质领域取得显著进展，特别是一维碳纳米管以及二维纳米结构组成尺寸均一的纳米及次纳米尺度离子通道，孔隙内部微观结构和表面化学特性更为可控，是制备高功率纳米流体离子导体的理想材料结构体系。受自然界独特的微观结构的启发，将二维材料通过简单的湿法纺丝重新组装成具有纳米尺度间隙的纤维结构。重组后形成的二维材料层与层之间的限域空间可以充当分子和离子运输的二维通道。Ti3C2Tx作为二维材料MXene中发展最成熟的材料之一，具有很多与氧化石墨烯结构类似的薄层二维结构，丰富的表面官能团以及极性溶剂高分散等特性，还具有氧化石墨烯不具备的高导电性，是制备高导电纳米流体纤维的理想材料。但是由于Ti3C2Tx较大的长径比以及柔性片层结构，在湿法纺丝过程中片层易褶皱、堆叠，造成结构缺陷，显著降低纤维力学、导电特性，阻碍离子在纤维结构内部传导，从而制约了Ti3C2Tx纤维在传感、储能、制动等多功能方面的应用探索。
Ti3C2Tx分散液在外界剪切力作用下，可形成定向液晶结构，可借助湿法纺丝过程形成二维片层的取向排布结构。苏州大学邵元龙教授团队借助这一原理，控制湿法纺丝过程的喷丝口断面结构以及牵伸速率，诱导Ti3C2Tx片层形成取向结构，并通过Mg2+离子交联作用，最终制备得到具有高取向度结构的Ti3C2Tx纤维，实现力学性能，导电性能，离子传导性能以及电化学性能的提升。相关工作以“Assembly of Nanofluidic MXene Fibers with Enhanced Ionic Transport and Capacitive Charge Storage by Flake Orientation”发表在《ACS Nano》上。
这项研究工作中Ti3C2Tx纤维取向度大幅度的提高主要依赖于喷丝口的设计以及牵伸过程。受流体定向纺丝过程的启发，作者设计不同的喷丝口来探究Ti3C2Tx片层在流动过程中的排列情况。当处于液晶态的Ti3C2Tx纤维经过高度纵横比的扁平状流体通道时，受到的剪切力在横向上显著增强；在水平剪切力引导下，Ti3C2Tx片层沿着纤维轴向定向排列。与圆状通道相比，扁平状流体通道有效解决了了剪切力梯度变化问题，减少了纤维中片层褶皱，孔洞等缺陷。为了提升纤维的取向度，作者对所制备的Ti3C2Tx初生凝胶纤维进行牵伸处理，经过牵伸后的纤维内部片层排列更加紧密，消除了片层间不规则的孔隙，这种取向结构将加速电子传输，减少电荷转移电阻和电能损失，经过WAXS测试纤维的取向度高达0.86。与此同时，作者采用离子交联进一步提升Ti3C2Tx纤维的力学性能。镁离子进入层间后与Ti3C2Tx片层表面含氧官能团产生静电相互作用，减弱片层间双电层的厚度，增强层与层之间相互作用力。经过交联之后的纤维力学强度高达118MPa，电导率提升到7200 S cm–1，实现优异的电子传导。通过红外热成像仪对纤维导热性能进行测试，发现 Ti3C2Tx纤维在低功率下能够快速升温到108℃。
图1. Ti3C2Tx纤维微流体、拉伸取向及结构表征
图2. 高定向Ti3C2Tx纤维的各项性能
Ti3C2Tx取向纤维的离子传导及电化学特性
高定向的Ti3C2Tx纤维在保持高机械性能和电子传导的同时，还能够实现优异的离子传导。与无序片层组装成的纤维相比，定向纤维内部片层能够互相连接构成连续的层状通道，离子在其中的传输路径更短，传输速率更高。当电解质被限制在纳米通道中时，电解质会表现出截然不同的性质。在比德拜长度更窄的纳米流体通道中，内壁上的表面电荷排斥单极离子并吸引反离子。这种单极离子传输可以使离子电导率提高几个数量级在1mM盐浓度下，高度定向的Ti3C2Tx纤维表现出9.7×10−4 S cm−1高离子电导率。有效的离子输运电导率还可以促进离子在Ti3C2Tx薄片表面的快速输运，形成电双层，提高功率密度和速率能力。定向Ti3C2Tx薄片可以与密集填充的薄片形成受限的纳米流态离子传输通道，在这种电解质离子约束场景下，局部库仑有序排列被打破，层状受限孔可以有效地用于电荷存储。对Ti3C2Tx片层进行定向，同时使层状孔适应电解质离子的大小，这是一种很有前途的策略，可以最大限度地提高比电容，高达1360 F cm−3。
图3. 取向对Ti3C2Tx纤维离子电导率的影响
图4. Ti3C2Tx纤维的电化学表征
小结
作者通过微流体通道控制二维片层材料取向排列，构筑快速离子传输通道；采用离子交联进一步提升纤维各项性能，从而制备出优异的Ti3C2Tx纳米流体取向纤维，有望在人工纤维组织、生物传感器分析和神经电子学中得到广泛的应用。
团队介绍：
邵元龙，苏州大学能源学院特聘教授，博导，北京石墨烯研究院石墨烯生物质纤维课题组组长。2016年获得东华大学材料加工工程专业博士学位，博士导师为李耀刚教授和王宏志教授，期间于2013-2015年于美国加州大学洛杉矶分校Richard B. Kaner教授课题组博士联合培养。2016-2018年剑桥大学石墨烯中心从事博士后研究，合作导师为Andrea C. Ferrari教授和Clare P. Grey教授。2018-2019年于沙特阿卜杜拉国王科技大学任职研究科学家，合作导师为Vincent C. Tung教授。2019年9月，加入苏州大学能源学院，任特聘教授。迄今以第一作者、通讯作者在Nat. Rev. Mater.，Nat. Commun. (2篇)，Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., ACS Nano（2篇），Adv. Funct. Mater., Mater. Horiz.（2篇）等国际知名学术期刊发表SCI论文26篇，他引4300余次，7篇被ESI收录为高被引论文（Top 1%），2篇被ESI收录为热点论文（Top 0.1%）主持国家自然科学基金，江苏省自然科学基金青年基金，国家重点实验室开放课题等多项科研项目。担任国际期刊《Frontiers in Chemistry》（影响因子3.782，中科院SCI化学2区）“Advanced Materials for Supercapacitors”专刊客座编辑。
李硕，2019年9月至今为苏州大学能源学院与材料创新研究院硕士研究生，导师为邵元龙教授。主要从事功能纤维器件相关研究。入学以来以第一作者在ACS Nano杂志上发表论文；荣获苏州大学研究生学业奖学金二、三等奖。
【课题组招聘】
招聘石墨烯及复合纤维方向博士后2-3名
招聘需求
1. 年龄原则上不超过 35 岁， 身心健康，具有较高的思想道德素养、良好的团队合作精神和奉献精神；具有一定材料、化学领域的研究基础；有较强的英文阅读和写作能力；
2. 博士后要求具有国内外高校或者科研院所的材料、化学、物理等专业博士；
3. 具有纤维纺丝、柔性可穿戴器件、理论计算等相关研究背景人员，优先录取。
应聘材料：
1. 个人简历，包括基本信息、学习和科研经历、已有成果；
2. 代表论文电子版；
工作待遇
按照苏州大学统招博士后发放相关待遇，具体如下：
（一） 统招博士后人员聘期内的总薪酬由基本年薪和奖补金两部分构成。绩效评估优秀者的总薪酬为 100 万元，绩效评估良好者的总薪酬为 80 万元，绩效评估合格者的总薪酬为 60 万元。
1.基本年薪：20 万元（去除学校承担的社会保险和公积金之后的税前收入），按月发放。
2.奖补金：根据绩效评估结果按年度发放。
（二）对表现优异的博士后，合作导师将追加基本年薪，相关追加部分不计入 聘期内总薪酬，额外发放。
（三）提供 0.1 万元/月的租房补贴（不计入总薪酬）。
（四）在站期间获得国家博士后创新人才支持计划、博士后国际交流计划引进项目、博士后国际交流计划派出项目、香江学者计划、澳门青年学者计划、中德博士后交流项目等项目资助的，所获得的资助补贴不计入学校的总薪酬，另外叠加发放。
（五）在站期间获得的科研成果可按照学校规定享受学校科研成果奖励。
（六）在站期间可根据学校专业技术职务评聘相关规定参加专业技术职务任职资格评审。
（七）绩效评估优秀者，可优先推荐应聘校内教学科研岗位。
有意向者请将个人简历，以及代表作等相关信息发送到邮箱：ylshao@suda.edu.cn。
来源：高分子科学前沿
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