【文献解读】CEJ: 用于电磁屏蔽、液压摩擦纳米发电机和焦耳热的多功能超疏水纤维素复合纸
背景介绍
随着电子产品小型化、高度集成化的发展趋势，屏蔽电磁辐射、储备清洁能源、寻求可再生电热材料等为人类的生命和健康提出了新的要求。多功能纤维素能够实现对电磁干扰(EMI)屏蔽材料的能量转换，同时能够有效克服上述问题。因此，近年来纤维素基材料因其可再生、可生物降解和低成本等优点而引起了人们极大的兴趣，在电磁保护、清洁能源收集和热管理等方面有着巨大的应用前景。然而，如何简单有效地将多种功能整合到单一的纤维素材料中仍然是一个挑战。
基于此，郑州大学申长雨院士课题组采用原位聚合聚吡咯和聚二甲基二甲醚(PDMS)/蜡烛烟灰改性MXene的策略，制备了多功能超疏水纤维素复合纸(CCP)。CCP在保持高导电性(1467 S/ m)的同时，具有高性能的电磁干扰屏蔽效果(~ 40db)。而且，CCP的超疏水表面可以作为水力摩擦电纳米发生机(HTENG)，利用液体-固体接触摩擦带电和静电感应获得电能。
图文解读
首先，作者采用选择性刻蚀MAX（Ti3AlC2）的最小强度层析方法在LiF/HCl混合物中制备了MXene片层，在MXene分散液中采用无引发剂的吡咯原位聚合法制备了MXene/PPy油墨。图1a的XRD谱图证实了Ti3AlC2中的Al层被成功蚀刻掉；(002)衍射峰由5.88°位移到5.68°，且减小幅度较大，证实了片间距的增大。
图1b和图1c为原子力显微镜和扫描电镜图像，表明MXene片层约为2.5 nm以及其薄层的微观形貌。MXene薄片逐层排列的形貌表明其片层间距的扩大(图1e)。MXene/PPy复合材料的SEM图像(图1f)表明，MXene片层的边缘缺陷处呈现出许多明亮的白色波浪形，这是由于PPy的改性所导致。此外，作者通过红外谱图（图1d）证明了聚吡咯对MXene表面的成功改性并且两者之间具有氢键相互作用。
图2a是纤维素复合纸(CCP)的制备过程示意图。首先，将MXene/PPy油墨喷涂在纤维素滤纸的一侧，形成MP侧面(1.46 mg/cm2)。然后将PDMS混合物溶液喷涂在滤纸的另一面，再将蜡烛烟灰收集到PDMS上形成SH面。同样，纯MXene油墨也按上述方法进行喷涂。图2b是宽度为15 ~ 40 μm滤纸表面微观形貌，可见纤维素纤维随机交错，而在喷涂PDMS后表面光滑且平坦(图2c)。此外，作者也对复合纸其他方面的微观形貌和元素分布进行了分析。
通常高导电性材料在电磁波作用下会产生较大的感生电流，根据楞次定律，这些电流会削弱电磁波的穿透能力。本研究中，作者对复合纸的导电率和电磁屏蔽性能进行了监测。如图3所示，作者从不同频率、角度和拉伸情况下对复合纸的电磁屏蔽性能进行了评估，证明了复合纸有效的功能特性。
优异的超疏水性能是作为固液接触纳米发电机使用的前提。作者对复合纸进行了水接触角的检测，发现所制备的复合纸具有显著的超疏水性能（图4a，b，c），纳米发电机的工作原理如图4e所示。研究发现，随着水滴体积的增加，产生的电流响应更加明显。对应的单脉冲电流如图4g所示。有趣的是，无论水滴的体积如何，单个SH样品都不会产生明显的输出电流（图4f）。这也很好地解释了为什么单一SH样品不能快速转移电子。
此外，作者对复合纸材料的焦耳热性能进行了系统探究。例如，图5a中MP@SH纸的I-V线性曲线显示所制备的复合纸材料具有较低的电阻，保证了纤维素基电加热器在人体上运行时安全可靠。研究发现，样品表面的温度分布与纤维结构和导电活性材料的分布有关(图5e)；而且CCP电加热器即使在低压、响应时间短的情况下也能快速达到饱和温度，从而保证对人体的安全正常使用。复合纸的性能不仅可用于保温，还可用于寒冷条件下的热疗、除冰等多种用途。作者认为，以上结果对于多功能CCP在热管理设备如热疗设备和加热除冰应用等方面具有很大的潜力。
结论
作者通过在纤维素滤纸不同表面涂覆MXene/PPy和PDMS/蜡烛烟灰，制备了一种具有优异电磁屏蔽效能、超疏水固液纳米发电机和焦耳加热性能的柔性CCP。作者将聚吡咯(PPy)通过原位聚合引入MXene表面，生成稳定的油墨。PPy的改性促进了MXene与纤维的界面结合，提高了电磁屏蔽性和电导率。基于超疏水特性，CCP具有作为固液摩擦纳米发电机的潜力，可以产生稳定的电流输出，且具有良好的加热稳定性和可靠性。作者认为，这种简单、高效的策略可以生产具有优良电磁屏蔽、水滴储能和热管理性能的纤维素复合纸，并可用于智能电子和清洁能源的高科技应用。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129864
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