研究背景

纤维素基介电材料被认为是下一代储能材料，其广泛应用有助于解决日益严重的环境污染问题。然而，由于使用了大量溶剂，纤维素介电材料在制膜过程中形成的结构缺陷极大程度上限制了其应用，这些缺陷通常导致高介电损耗和低击穿强度，最终导致低的能量存储密度。MXene是一种新兴的二维填料，表面含有丰富的官能团。考虑到MXene与纤维素之间可能存在的界面相互作用，将MXene引入纤维素中制备介电复合膜值得关注。

文章要点

本工作提出了一种基于戊二醛(GA)辅助交联的简单策略来制备纤维素/MXene复合膜。结果表明，交联反应不仅发生在纤维素分子链之间，同时MXene也参与了交联反应。与普通再生纤维素/MXene(RC/M)复合膜相比，交联复合膜(CRC/M)的介电损耗大大降低，击穿强度显著提高，最终能量密度显著提高。加入1 wt% MXene时，CRC/M-1复合膜在288.61 MV/m下拥有2.41 J/cm³的高能量密度，这大约是纯RC膜(0.38 J/cm³)的6.34倍。此外，交联的CRC/M复合膜也表现出良好的机械性能和明显降低的亲水性。这项工作表明，通过适当的加工方法，CRC/M复合膜可以用作电介质，并在下一代介电电容器中具有潜在的应用前景。

图文展示

图1 (a) RC, (b) CRC，(c) RC/M-2, (d) CRC/M-2的表面扫描电镜图；(e) RC/M-2, (f) CRC/M-2的断面扫描电镜图；不同薄膜的(g) FT-IR图，(h) XRD图，(i) UV-vis图

图2 不同复合薄膜(a, c)介电常数，(b, d)介电损耗的频谱图；不同复合薄膜10³时(e)介电常数，(f)介电损耗的对比

图3 (a) RC/M, (b) CRC/M薄膜击穿强度的威布尔分布图；(c) 不同复合薄膜击穿强度的对比

图4 (a) RC/M, (b) CRC/M薄膜储能密度图

图5 RC/M-2和CRC/M-2复合薄膜的(a) TGA曲线，(b) XPS全谱图；(c) RC/M-2, (d) CRC/M-2薄膜的O 1s的XPS谱图；(e) 不同薄膜的水接触角图

综上，本工作以“Synchronously improved energy storage density and water resistance of cellulose/MXene composite film via glutaraldehyde-assisted crosslinking”为题发表在SCI二区期刊Polymer上。论文的第一作者为必赢242net2021级博士生张帆，通讯作者为必赢242net杨静晖副教授和王勇教授。