碳納米管由于其特殊的結構，已經被廣泛應用于需要高強度，高柔韌性以及高導電性材料的領域。其中碳納米管膜則是一個重要的應用，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。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性能均具有較大差距（~100 MS/m）。

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

MWCNT薄膜的設計和制備

作者通過退火和濃鹽酸處理去除制備出的MWCNT薄膜的不導電的無定形碳和金屬氧化物，從而有效的提升了薄膜的導電性。然后為了MXCNT擁有更致密的結構和更高的結晶度，作者采用CSA進行了進一步處理。在CNT纖維中，CNT在用CSA處理后會帶電荷，CSA擁有許多正負位點，這些電荷位點通過庫侖力增加了兩個CNT之間的相互作用。因此，庫侖力與范德華力的協同作用使得CNT進行高度堆積。致密化的薄膜擁有更薄的厚度以及更高的導電性，CSA-MWCNT的σ⊥比原始MWCNT高約兩個數量級。此外本中MWCNT中最大的σ||比文獻報道出的純CNT和CNT膜高約10-20倍。σ||和σ⊥的顯著增強歸因于拉鏈效應導致的MWCNT的密集堆積，由于液體的壓縮效應會將CNT拉在一起產生密集堆積。對于CSA-MWCNT薄膜，MWCNT 在CSA蒸發期間通過范德華力聚集在一起。此外，CSA是一種強酸，具有高吸濕性，它會使 MWCNT極化并去除 CNT 管周圍的水分子以增加兩個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薄膜的性能與應用

MWCNT薄膜優異的導電性能讓其在電磁屏蔽領域具有巨大的應用潛力。經過測試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，通過對比發現SSE(CSA-MWCNTs) 的電磁屏蔽性能比目前報道的最先進的石墨烯薄膜、MXene 薄膜，甚至金屬薄膜等高約1.2-4.0 倍。此外，該薄膜在熱電領域也有較大的應用潛力。不同薄膜的Seebec系數順序為 S||(pristine-MWCNT) > S||(annealed- MWCNT) > S||(HCl-MWCNT) > S||(CSA-MWCNT)。通過研究CSA-MWCNT 薄膜在熱電發電機(TEG)中的應用表明，當在~5 K的溫差下用手握住時，它可以產生1.2 mV的輸出電壓（圖 2f）。在60 K的溫差下，TEG可以產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薄膜在高載流量導體的也擁有較好的應用潛力。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生白光，表明 CSA-MWCNT 薄膜具有高載流量和良好的熱穩定性。

圖2MWCNT薄膜的電磁干擾屏蔽、熱電和安培性能表征

最后，CSA-MWCNT 薄膜的也展現出優異的機械性能。CSA-MWCNT薄膜沿纏繞方向的拉伸強度經測量約為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度證明了CSA-MWCNT中兩個碳納米管之間相互作用的增加。

圖3MWCNT薄膜的機械性能和穩定性表征

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

審核編輯 ：李倩