【今日首推】理性设计MXene基透明导电薄膜

【研究背景】透明导电电极（Transparent conductive electrodes，TCE）在现代电子产品领域具有极大的应用潜力，例如触摸屏、透明传感器、透明天线和透明超级电容器等。单层Ti3C2Tx纳米片在可见光区的透光率约为97%，具有金属导电性和亲水性，能稳定分散在水介质中，因此可通过溶液加工法制备MXene TCE，在透明电子领域具有极大的应用前景。然而，实现高导电且高透明的MXene基透明电极仍具有很大的挑战，主要受限于（1）使用的Ti3C2Tx纳米片尺寸较小，固有电导率低；（2）透明薄膜结构疏松且表面粗糙度大；导致薄膜的在高透光率下的电阻呈指数增长（即渗流问题）。理想的透明电极要求在高透光率下具有较低的电阻，这就意味着TCE应具有连续的导电通路、较少的晶界和致密的微结构，以促进载流子在薄膜内快速的迁移进而提高固有电导率，避免渗流问题。因此，合成单层/少层、横向尺寸大且分布窄的Ti3C2Tx纳米片和制备高度取向，结构致密的透明导电薄膜具有重要意义。         
【工作介绍】近日，西交周迪教授、瑞士联邦材料所Jakob Heier博士与川大张传芳教授合作，报道了一种Ti3C2Tx MXene水性墨水制备的透明导电电极，在透明焦耳加热器和超级电容器领域具有极大的应用潜力。该成果发表在国际期刊ACS Nano上，题目为Rational Design of MXene Inks for Conductive, Transparent Films。郭铁柱为本文第一作者。
在这项研究中，研究者通过不断优化MXene的制备工艺，经刻蚀-剥离-梯度离心三步法研发了一种高单层比，大尺寸且粒径分布窄的MXene分散液，其平均尺寸为12.2 μm，最大尺寸可达30 μm的高质量Ti3C2Tx纳米片，其分散液中几乎不含有横向尺寸为纳米级的Ti3C2Tx碎片。通过剪切力诱导纳米片取向排列实现了TCE具有高度致密的微结构，该薄膜拥有良好的机械弯曲性能。此外，由大尺寸纳米片组装的薄膜与小尺寸相比，纳米片间的晶界数量大量减少；在给定厚度下前者具有更高的电导率，其TCE最大电导率可达~20000 S/cm，同时在高透光率下无明显渗流问题，避免了电阻呈指数增大。相比之下，传统方法制备的尺寸为1 μm的Ti3C2Tx纳米片组装的TCE电导率仅有~3400 S/cm，且在T>80%区域出现明显的渗流问题。研究人员还展示了Ti3C2Tx TCE在透明焦耳加热器和超级电容器领域分别具有优异的焦耳加热效应和高倍率性能，表明其在透明电子器件研发方面的巨大潜力。         
【研究内容】

图1. 高导电透明薄膜的设计思路和应用

图2. MXene纳米片的表征. (a)MAX相. (b) MAX相尺寸分布. (c, d) MXene纳米片和尺寸分布. (e, f) AFM和TEM.        

图3. 透明导电薄膜的表征. (a) TvsC. (b) 实物图. (c) SEM. (d, e) XRD. (f) GISAXS. (g) 取向度. (h) Raman. (i) XPS.

图4. 透明导电电极的光电性能. (a) UV-vis. (b) TvsRs. (c) T-0.5-1 vsRs. (d, e, f) AFM (T=94%). (g) σDC/σop对比. (h) TvsRs对比. (i) FOM vs尺寸.

图5. 透明导电电极的性能. (a) T-0.5-1 vst. (b) Rsvst. (c) 平均电导率对比. (d) 透明薄膜的弯曲性能. (e) 透明薄膜的环境稳定性.      

图6. 透明焦耳加热器的性能. (a) 温度 vs 时间. (b) 电流 vs 时间. (c) 红外热辐射实物图. (d) 不同方阻下的温度 vs 时间. (e) 反复开关测试. (f) 耐循环测试.    

图7. 透明超级电容器的性能. (a) CV (T=80%). (b) CV比较. (c) 不同扫速下的电容量. (d) 时间常数. (e) GCD (T=80%). (f) 不同电流密度下的电容量. (g) 面积电容量比较. (g) Ragone图. (i) 循环性能.