超高導(dǎo)電性多功能MWCNT薄膜

碳納米管由于其特殊的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于需要高強(qiáng)度，高柔韌性以及高導(dǎo)電性材料的領(lǐng)域。其中碳納米管膜則是一個(gè)重要的應(yīng)用，然而這些突出的特性在薄膜的宏觀制備上中仍然存在重大挑戰(zhàn)。常見的制備方法包括真空抽濾和將CNT氣凝膠纏繞在滾筒上（纏繞的 CNT 薄膜）。但是目前這兩種方法制備的薄膜其性能距離碳納米管理論上的電導(dǎo)性能均具有較大差距（~100 MS/m）。

基于此，西安交通大學(xué)王洪教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種具有金屬特定導(dǎo)電性和高強(qiáng)度的高性能多功能 MWCNT 薄膜（圖1）。這些MWCNT薄膜通過浮動(dòng)化學(xué)氣相沉積法合成，在高溫下退火純化并用濃 HCl 處理，最后使用氯磺酸（CSA）進(jìn)行處理增強(qiáng)其拉鏈效應(yīng)而使薄膜的結(jié)構(gòu)致密化。由于多壁碳納米管的致密晶體結(jié)構(gòu)，文章中制備的大尺寸薄膜表現(xiàn)出高電磁干擾屏蔽效率、高熱電功率因數(shù)和高載流量性能，具有廣闊的實(shí)際應(yīng)用前景。該論文以“Acid enhanced zipping effect to densify MWCNT packing for multifunctional MWCNT films with ultra-high electrical conductivity”為題發(fā)表在Nature Communications上。

MWCNT薄膜的設(shè)計(jì)和制備

作者通過退火和濃鹽酸處理去除制備出的MWCNT薄膜的不導(dǎo)電的無定形碳和金屬氧化物，從而有效的提升了薄膜的導(dǎo)電性。然后為了MXCNT擁有更致密的結(jié)構(gòu)和更高的結(jié)晶度，作者采用CSA進(jìn)行了進(jìn)一步處理。在CNT纖維中，CNT在用CSA處理后會(huì)帶電荷，CSA擁有許多正負(fù)位點(diǎn)，這些電荷位點(diǎn)通過庫侖力增加了兩個(gè)CNT之間的相互作用。因此，庫侖力與范德華力的協(xié)同作用使得CNT進(jìn)行高度堆積。致密化的薄膜擁有更薄的厚度以及更高的導(dǎo)電性，CSA-MWCNT的σ⊥比原始MWCNT高約兩個(gè)數(shù)量級。此外本中MWCNT中最大的σ||比文獻(xiàn)報(bào)道出的純CNT和CNT膜高約10-20倍。σ||和σ⊥的顯著增強(qiáng)歸因于拉鏈效應(yīng)導(dǎo)致的MWCNT的密集堆積，由于液體的壓縮效應(yīng)會(huì)將CNT拉在一起產(chǎn)生密集堆積。對于CSA-MWCNT薄膜，MWCNT 在CSA蒸發(fā)期間通過范德華力聚集在一起。此外，CSA是一種強(qiáng)酸，具有高吸濕性，它會(huì)使 MWCNT極化并去除 CNT 管周圍的水分子以增加兩個(gè)MWCNT之間的相互作用。

圖1MWCNT薄膜的制備過程和基本性能表征

MWCNT薄膜的性能與應(yīng)用

MWCNT薄膜優(yōu)異的導(dǎo)電性能讓其在電磁屏蔽領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。經(jīng)過測試MWCNT薄膜的SSE值按SSE(CSA-MWCNT) > SSE(HCl-MWCNT) > SSE(annealed-MWCNT) > SSE(pristine-MWCNT)的順序排列，其中最大SSE值為SSE(CSA-MWCNTs)=~85 dB/μm，通過對比發(fā)現(xiàn)SSE(CSA-MWCNTs) 的電磁屏蔽性能比目前報(bào)道的最先進(jìn)的石墨烯薄膜、MXene 薄膜，甚至金屬薄膜等高約1.2-4.0 倍。此外，該薄膜在熱電領(lǐng)域也有較大的應(yīng)用潛力。不同薄膜的Seebec系數(shù)順序?yàn)?S||(pristine-MWCNT) > S||(annealed- MWCNT) > S||(HCl-MWCNT) > S||(CSA-MWCNT)。通過研究CSA-MWCNT 薄膜在熱電發(fā)電機(jī)(TEG)中的應(yīng)用表明，當(dāng)在~5 K的溫差下用手握住時(shí)，它可以產(chǎn)生1.2 mV的輸出電壓（圖 2f）。在60 K的溫差下，TEG可以產(chǎn)生短路電流和開路電壓分別為~0.4 mA和~13.1 mV。此外，擁有高σ||的CSA-MWCNT薄膜在高載流量導(dǎo)體的也擁有較好的應(yīng)用潛力。圖 2i 表明，一塊長度約為30毫米、寬度約為1毫米的CSA-MWCNT薄膜可以用作燈絲產(chǎn)生白光，表明 CSA-MWCNT 薄膜具有高載流量和良好的熱穩(wěn)定性。

圖2MWCNT薄膜的電磁干擾屏蔽、熱電和安培性能表征

最后，CSA-MWCNT 薄膜的也展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能。CSA-MWCNT薄膜沿纏繞方向的拉伸強(qiáng)度經(jīng)測量約為2 GPa，比原始 MWCNT 薄膜高約8倍（圖 3b）。CSA-MWCNT在垂直于纏繞方向的抗拉強(qiáng)度方向也增加了約16倍。在平行和垂直于纏繞方向的方向上增加的抗拉強(qiáng)度證明了CSA-MWCNT中兩個(gè)碳納米管之間相互作用的增加。

圖3MWCNT薄膜的機(jī)械性能和穩(wěn)定性表征

總結(jié)：在本文中作者開發(fā)了一種新型的 MWCNT 薄膜具有的超高電導(dǎo)率以及較好的機(jī)械性能。這種薄膜在大面積制備以及柔性電子器件中的應(yīng)用具有巨大的潛力。

審核編輯 ：李倩