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2024年2月15日，北京航空航天大学程群峰、美国德克萨斯大学Ray H. Baughman共同通讯在Science 在线发表题为“Water-induced strong isotropic MXene-bridged graphene sheets for electrochemical energy storage”的研究论文，该研究利用纳米限水诱导基底面排列和共价和π-π板间桥接，在室温下制备了Ti₃C₂T_x MXene桥接的石墨烯片，其各向同性面内抗拉强度为1.87 GPa，模量为98.7 GPa。

面内室温电导率达到1423西门子/厘米，体积比容量达到828库仑/立方厘米。这种纳米受限水诱导的排列可能为二维纳米片的其他排列宏观组装提供了重要的方法。

木质素、层间相互作用和致密性是影响二维(2D)纳米材料力学性能的三个重要因素。有序组装、层间交联和孔隙填充等策略已被用于改善二维纳米材料的力学性能。然而，通过湿化学方法组装的二维纳米材料在干燥过程中不可避免地会经历毛细收缩。毛细血管收缩伴随着剧烈的结构收缩，这会导致纳米片起皱并降低机械性能。

超临界干燥和冷冻干燥可以防止毛细收缩，但导致小片密度增加，从而提供非优化的机械性能。此外，增加接触角或更换溶剂已被证明可以有效减少二维纳米材料的固有皱纹。虽然已经制备了许多独立的二维纳米材料片，但同时实现高排列和紧凑性仍然是不可行的。面内拉伸是在保持或增加板材密度的同时减少层间错位的一种实用方法。然而，平面内拉伸会引入板材的平面内各向异性，从而降低与拉伸方向正交的板材的力学和电学性能。

用纳米密闭水制备的MXene和GO纳米薄片的制备和结构示意图（图源自Science ）

在还原氧化石墨烯(rGO)纳米片之间引入层间水可以帮助这些纳米片对齐。Ti₃C₂T_x MXene是一种具有金属导电性、亲水性和强力学性能的二维材料。它已被广泛用于增强复合材料和制备独立的石墨烯Ti₃C₂T_x MXene片材。受此启发，研究人员使用相似尺寸的氧化石墨烯和Ti₃C₂T_x MXene纳米薄片作为原料，制备了高度排列、平面内各向同性的高密度MXene桥接石墨烯(pBMG)片。

在真空过滤过程中，水分子被限制在MXene和氧化石墨烯纳米片之间，因为它们与纳米片形成有序的、扩展的平面氢键网络。这些被捕获的水分子可以帮助防止纳米板收缩，并有助于在加工过程中实现高薄片对齐。通过碘化氢(HI)和π-π桥接还原后，由于纳米片排列增加以及Ti-O-C共价和π-π桥接的协同作用，室温处理得到了强各向同性的pBMG片。纳米限水诱导排列的使用为各种二维纳米片的高性能材料的组装提供了一种有前途的方法。

论文信息：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3549