尽管许多聚合物基复合材料表现出优异的介电常数，但它们在各种应用中的介电性能受到界面空间充电和漏电流引起的高介电损耗的严重阻碍。在此，我们证明将熔盐蚀刻的 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）混合基质中会引起强烈的界面相互作用，形成紧密的界面相互作用。 -填充内部聚合物层，导致介电损耗显着抑制，介电常数在较宽的频率范围内显着增加。 MXene 中密集的电负性功能末端（-O 和 -Cl）引起的强烈分子相互作用导致聚合物链运动受限和分子排列密集，从而减少了移动电荷载流子的传输。因此，与纯聚合物相比，含有 2.8 wt% MXene 填料的复合材料的介电常数从~52 增加到~180，并且在 1 kHz 下介电损耗保持在相同值（~0.06）。我们证明介电损耗的抑制很大程度上是由于 MXene 和聚合物基体之间形成了密堆积界面。

 
图1. Ti3C2Tx MXene 的设计策略和表征。 (a) 使用路易斯酸蚀刻法合成 Ti3C2TX MXene 薄片，然后进行 TMAOH 分层的示意图。分层 Ti3C2TX MXene 薄片的 (b) TEM 和 (c, d) HRTEM 图像。 (e) Ti3AlC2 MAX 相、块体 Ti3C2Tx MXene 和分层 Ti3C2Tx MXene 的 XRD 图案。 Ti3C2TX MXene 的 (f) Cl 2p 和 (g) O 1s XPS 谱。

 
图2. MXene/聚合物复合材料的表征。 (a) P(VDF-TrFE-CFE) 三元共聚物的化学式和分子结构。不同 MXene 掺杂浓度的聚合物/MXene 复合材料的 (b) XRD 图谱和 (c) FTIR 光谱。 (d) 通过超薄切片法切割的聚合物/MXene 样品的 TEM 图像。 (e, f) 聚合物/MXene 复合材料的 HRTEM 图像，显示 Ti3C2TX MXene 薄片的层状原子排列。

 
图3. MXene/聚合物复合材料的 WAXS 分析结果。 (a) 具有不同 MXene 负载量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面。 (b) 当 PMMA 和 MXene 依次与不同的负载浓度混合时，三元共聚物在 q = 1.30 Å–1 时散射强度的演变。 (c–i) 具有不同 MXene 负载量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 2D WAXS 剖面。

 
图4. WAXS 曲线拟合。 (a-g) 不同 MXene 负载量的三元共聚物、TP 和 TPMC 的 1D WAXS 剖面曲线拟合。 (h) 原始结晶三元共聚物（峰 1）、无定形三元共聚物（峰 2）和密堆积三元共聚物（峰 3）的 q 值。 (i) 复合材料中不同三元共聚物构型的 d 间距。

 
图5. 复合材料的介电性能。聚合物/MXene 复合材料的 (a) 介电常数和 (b) 损耗角正切与频率的关系。 (c) 比较在室温和 1 kHz 下测量的聚合物/MXene 复合材料的介电常数和相应介电损耗的条形图。 (d) 介电常数和介电损耗对 MXene 含量 (wt%) 的依赖性。 (e) 具有不同 MXene 负载量的聚合物/MXene 复合材料的电导率。插图：聚合物树突提供的电荷载流子额外传输隧道的示意图。 (f) MXene 表面上三种不同 P(VDF-TrFE-CFE) 链构象的示意图。
 
      相关科研成果由阿卜杜拉国王科技大学Xixiang Zhang，Husam N. Alshareef等人于2024年发表在ACS Nano（https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475）上。原文：Suppressing Dielectric Loss in MXene/Polymer Nanocomposites through Interfacial Interactions
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.4c00475

转自《石墨烯研究》公众号