盡管許多聚合物基復合材料表現出優異的介電常數，但它們在各種應用中的介電性能受到界面空間充電和漏電流引起的高介電損耗的嚴重阻礙。在此，我們證明將熔鹽蝕刻的 MXene 嵌入聚（偏二氟乙烯 - 三氟乙烯 - 氯氟乙烯）（P（VDF - TrFE - CFE））/聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）混合基質中會引起強烈的界面相互作用，形成緊密的界面相互作用。 -填充內部聚合物層，導致介電損耗顯著抑制，介電常數在較寬的頻率范圍內顯著增加。 MXene 中密集的電負性功能末端（-O 和 -Cl）引起的強烈分子相互作用導致聚合物鏈運動受限和分子排列密集，從而減少了移動電荷載流子的傳輸。因此，與純聚合物相比，含有 2.8 wt% MXene 填料的復合材料的介電常數從~52 增加到~180，并且在 1 kHz 下介電損耗保持在相同值（~0.06）。我們證明介電損耗的抑制很大程度上是由于 MXene 和聚合物基體之間形成了密堆積界面。
圖1. Ti3C2Tx MXene 的設計策略和表征。 (a) 使用路易斯酸蝕刻法合成 Ti3C2TX MXene 薄片，然后進行 TMAOH 分層的示意圖。分層 Ti3C2TX MXene 薄片的 (b) TEM 和 (c, d) HRTEM 圖像。 (e) Ti3AlC2 MAX 相、塊體 Ti3C2Tx MXene 和分層 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 圖案。 Ti3C2TX MXene 的 (f) Cl 2p 和 (g) O 1s XPS 譜。
.png)
圖2. MXene/聚合物復合材料的表征。 (a) P(VDF-TrFE-CFE) 三元共聚物的化學式和分子結構。不同 MXene 摻雜濃度的聚合物/MXene 復合材料的 (b) XRD 圖譜和 (c) FTIR 光譜。 (d) 通過超薄切片法切割的聚合物/MXene 樣品的 TEM 圖像。 (e, f) 聚合物/MXene 復合材料的 HRTEM 圖像，顯示 Ti3C2TX MXene 薄片的層狀原子排列。
.png)
圖3. MXene/聚合物復合材料的 WAXS 分析結果。 (a) 具有不同 MXene 負載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面。 (b) 當 PMMA 和 MXene 依次與不同的負載濃度混合時，三元共聚物在 q = 1.30 Å–1 時散射強度的演變。 (c–i) 具有不同 MXene 負載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 2D WAXS 剖面。
.png)
圖4. WAXS 曲線擬合。 (a-g) 不同 MXene 負載量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面曲線擬合。 (h) 原始結晶三元共聚物（峰 1）、無定形三元共聚物（峰 2）和密堆積三元共聚物（峰 3）的 q 值。 (i) 復合材料中不同三元共聚物構型的 d 間距。
.png)
圖5. 復合材料的介電性能。聚合物/MXene 復合材料的 (a) 介電常數和 (b) 損耗角正切與頻率的關系。 (c) 比較在室溫和 1 kHz 下測量的聚合物/MXene 復合材料的介電常數和相應介電損耗的條形圖。 (d) 介電常數和介電損耗對 MXene 含量 (wt%) 的依賴性。 (e) 具有不同 MXene 負載量的聚合物/MXene 復合材料的電導率。插圖：聚合物樹突提供的電荷載流子額外傳輸隧道的示意圖。 (f) MXene 表面上三種不同 P(VDF-TrFE-CFE) 鏈構象的示意圖。
相關科研成果由阿卜杜拉國王科技大學Xixiang Zhang，Husam N. Alshareef等人于2024年發表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475）上。原文：Suppressing Dielectric Loss in MXene/Polymer Nanocomposites through Interfacial Interactions
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475
轉自《石墨烯研究》公眾號
