NML综述：自愈合MXene和石墨烯基复合材料：性能和应用

背景介绍

如今，自愈性石墨烯和MXene基复合材料已经吸引了大量研究人员，因为它在长期应用中增加了耐用性并降低了成本。不同的研究集中在设计新型的自愈性石墨烯和MXene基复合材料，它们具有更强的敏感性、可伸展性和灵活性，以及更好的导电性、愈合效果、机械性能和能量转换效率。这些具有自愈性的复合材料可用于可穿戴传感器、超级电容器、防腐涂层、电磁干扰屏蔽、电子皮肤、软机器人等领域。然而，要实现复合材料具有优良的任意形状适应性、合适的粘附性、理想的耐久性、高拉伸性、即时的自我修复责任和突出的电磁特性，似乎还需要进行更多的探索。此外，优化反应/合成条件和寻找合适的功能化/改性策略是应该全面研究的关键方面。MXenes和石墨烯表现出卓越的电化学性能，具有丰富的表面端点和巨大的表面积，这对发展生物医学和传感应用非常重要。然而，灵活性和伸展性是它们未来应用的重要标准，需要加以改进。

本文亮点

1. 自愈性石墨烯和MXene基复合材料可以部署在可穿戴传感器、超级电容器、防腐涂层、电磁干扰屏蔽、电子皮肤和软机器人中。

2. 自愈性石墨烯和MXene基复合材料已显示出更好的导电性、机械性能、愈合功效和能量转换功效。

3. 自愈结构可以为未来的医疗保健、传感器、电子学、机器人、超级电容器/电池、涂层和生物医学开辟相当大的新前景。

图文解析

图1. MXenes和石墨烯家族的合成和优势示意图。

图2. A PAA-MXene水凝胶的制备过程，以及相关的凝胶化机制。APS：过硫酸铵；AA：丙烯酸。B 使用3-（甲基丙烯酰氨基）丙基-三甲基氯化铵（MPTC，阳离子单体）和对苯乙烯磺酸钠（NaSS，阴离子单体）的一步自由基聚合制备MXene/聚氨脂（PMN）纳米复合水凝胶的过程。

图3. A MXene/CMC薄膜的制备过程。B MXene/CMC-5薄膜的外观图像。C, D MXene/CMC-5薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像。E 不同含量的CMC的MXene/CMC薄膜的X射线衍射（XRD）图像。F 不同温度下的超级电容器的电容保留。G 不同温度下超级电容器的电化学阻抗光谱（EIS）图。H 超级电容器在25℃下的循环性能。

图4. 含有单宁酸（TA）@MXene-SiO2的环氧涂层的防腐和自愈机制：没有（A）和B 设计的涂层的腐蚀过程。C 纯环氧涂层中裂纹扩展的过程。D 环氧/TA@MXene-SiO2涂层及其自愈性；MXenes可以成功地在该涂层中形成逐层的矩阵结构，提供良好的腐蚀保护。

图5. 三维（3D）多孔复合海绵，骨架由功能性填料包裹（A），孔隙由功能性填料覆盖（B），以及相关的电磁波传播路线。C（1）自愈性MXene-包裹的三聚氰胺海绵（MS）和（2）MXene/聚氨酯（PU）@MS的制备过程。

图6. A MXene/rGO氧化物/聚氨酯（MRGP）复合材料的制备过程。B MRGP复合材料的热刺激愈合程序的机制。C 原始（i）断裂，（ii）愈合，和（iii）MRGP复合材料骨架的EMI屏蔽机制。PUDA：含有Diels-Alder键的聚氨酯；MRG：MXene/rGO混合气凝胶。

图7. (A）PBAx-PDMS的结构（i）。PBAx-PDMS/FGf的制备过程（ii），以及引入的纳米复合材料的形貌（iii）。PBAx-PDMS和PBAx-PDMS/FGf的热重分析图（iv）。PBA-PDMS和PBA-PDMS/FGf的差示扫描量热曲线(v)。(B) rGO复合水凝胶的合成（i）。EMI屏蔽效率（SE）随分子极性的变化（ii）。H2O2的EMI SE随三聚氰胺泡沫（MF）中的体积含量而变化（iii）。评估不含MF、含MF和水凝胶的水的EMI SE（iv）。水凝胶中三种不同的水类型（v），电磁波（EMW）在水和冰之间的传输（vi）。纯水凝胶与冷冻和潮湿的RGO-水凝胶的活性（vii）。PBA：2-[[（丁基氨基）羰基]氧基]乙酯；PDMS：聚二甲基硅氧烷；FGf：折叠石墨烯薄膜；ACC：无定形碳酸钙；PAA：聚丙烯酸；CS：壳聚糖。

图8. A 豆荚启发的可愈合压力传感器及其机制的示意图。B 压力传感器的可穿戴传感应用在检测（i）米饭作为光的物体，（ii）手腕上的血脉，（iii）手的紧握，和（iv）肘部的弯曲。C 基于GRSE的传感器的电气性能，由1-芘基修饰的石墨烯层构建。D 在人类运动检测中传感器的传感活动，用于识别微笑和皱眉。

图9. A 自愈机制示意图，以及PPy/rGO/MWCNTs电极和自愈超级电容器的制造过程。(i) 基于rGO的纤维线可以被扭曲成弹簧。(ii) 将基于rGO/MWCNTs的溶液加入管道中；然后，形成rGO/MWCNTs复合纤维。B 尺寸为100 μm的rGO纤维的SEM图像和堆积的形态。C 超级电容器驱动过氧化物纳米线检测器的示意图。D 光电流对检测器在照明下的时间的依赖性。E 含rGO/SnO2液滴在织物上的制备过程。

图10. A, B CSMA/BPEI/BPEI水凝胶的制备过程及其在乳腺癌靶向抗癌药物输送和光热治疗中的应用。C 肿瘤消除和治疗的手术过程：（1）肿瘤体积为200mm3；（2）肿瘤切除；（3）水凝胶固化；（4）切口缝合；（5）1天后用近红外激光照亮小鼠。D 用水凝胶盘踞的小鼠的近红外成像。E 绘制肿瘤复发的Kaplan-Meier生存曲线。F 整个治疗过程中的体重差异。

审核编辑 ：李倩