同濟大學陸偉Nano-Micro Lett.：柔性疏水2D/1D/0D結構的MXene基納米復合材料用于電磁波吸收、EMI屏蔽和光熱轉換

【引言】

隨著通信技術的飛速發展和電子設備的日益智能化，電磁干擾（EMI）和信息泄露越來越嚴重。有效的電磁衰減材料可以減少不需要的電磁波的反射和傳輸。將重量輕、厚度薄和柔韌性特點結合到一種材料中，以用于下一代電磁波吸收和EMI屏蔽應用。低維納米材料因其大的表面積、柔韌性和可調諧電子結構的特性而備受關注。MXene由于其獨特的多層微結構、高比表面積、良好的導電性和類金屬特性，在新型電磁波吸收和EMI屏蔽材料方面具有巨大的潛力。MXene的高電導率和多次內反射有助于形成高效的EMI屏蔽材料。因此，高導電性、機械可靠性、重量輕的一維(1 D)碳納米管(CNT)與MXene集成以組裝MXene/CNTs復合材料能夠有效屏蔽電磁波和吸收電磁波。此外，將磁性納米粒子與MXene結合可以增強的電磁耗散材料。雖然，具有新型結構的MXene基復合材料在電磁波吸收和EMI屏蔽方面取得了實質性進展。然而，關于將0 D磁性納米粒子、1 D CNTs和2 D MXene組合起來用于高效電磁波吸收和EMI屏蔽的層狀多孔結構的報道很少。

【成果簡介】

近日，中國同濟大學的陸偉教授（通訊作者）等人報道了一種靜電組裝方法，制備2 D/1 D/0 D結構的Ti₃C₂T_x/碳納米管/Co納米顆粒(Ti₃C₂T_x/CNTs/Co)納米復合材料，其具有優異的電磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔韌性、疏水性和光熱轉換表現。實現了-85.8 dB的強反射損耗和1.4 mm的超薄厚度，高EMI屏蔽效率達到110.1 dB。優異的電磁波吸收和屏蔽性能源于電荷載流子、電/磁偶極極化、界面極化、自然共振和內反射。此外，一層薄薄的聚二甲基硅氧烷使親水的分層Ti₃C₂T_x/CNTs/Co具有疏水性，這可以防止MXene在高濕度條件下降解/氧化。此外，Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出顯著的光熱轉換性能、熱循環穩定性和韌性。因此，多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料具有出色的電磁波吸收和EMI屏蔽、光驅動加熱性能和靈活的防水特性的獨特融合，非常有希望用于下一代智能電磁衰減系統。相關成果以“Flexible and Waterproof 2D/1D/0D Construction of MXene-Based Nanocomposites for Electromagnetic Wave Absorption, EMI Shielding, and Photothermal Conversion”發表在Nano-Micro Letters上。

【圖文導讀】

圖 1 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的結構表征

（a，b）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co納米復合材料的XRD衍射花樣和拉曼光譜圖；

（c-e）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的XPS光譜、Ti 2p XPS光譜和C 1s XPS光譜圖；

（f）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的N₂脫吸附曲線圖。

圖 2 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的圖像及成分表征

（a-c，g-i）Ti₃C₂T_x、Co-MOFs、CNTs/Co和Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的SEM圖像；

（d-f，j-l）Ti₃C₂T_x、Co-MOFs、CNTs/Co和Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的TEM圖像；

（m）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的元素Mapping圖。

圖 3 Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co的吸波材料性能

（a-c）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co的RL圖；

（d-f）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co的相對輸入阻抗模量(|Z_in/Z₀|)圖；

（g）CNTs/Co-5.0 mm、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co-1.4 mm和Ti₃C₂T_x-1.0 mm的RL圖；

（h）Ti₃C₂Tx、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co納米復合材料的衰減常數(α)圖。

圖 4 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的電磁干擾屏蔽性能

（a-d）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的橫截面SEM圖像；

（e，f）不含Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的無線電力傳輸電路的照片，LED亮起；含有Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜，LED熄滅；

（g）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的平均SE_T、SE_A和SE_R值的3D直方圖；

（h，i）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的平均SE_T和不同CNT含量的40 μm厚Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的SE_A/SE_T和SE_R/SE_T比率/Co圖；

（j）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co (10 wt.%)納米復合材料的平均SE_T、SE_A和SE_R值的3D直方圖；

（k）不同厚度Ti₃C₂T_x/CNTs/Co(10 wt.%)納米復合材料的平均SE_T圖；

（l）不同厚度Ti₃C₂T_x/CNTs/Co (10 wt.%)和Ti₃C₂T_x薄膜的EMI ΔSE_T、ΔSE_A和ΔSE_R值的比較圖。

圖 5 PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的自清潔性能

（a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的彎曲圖；

（b）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜和PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的接觸角；

（c-f）水、牛奶和咖啡溶液液滴位于PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表面的照片；

（g）在涂層濾紙上，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜自清潔測試的光學圖。

圖 6 PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的光熱性能

（a）在不同NIR激光功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的光熱加熱和冷卻曲線；

（b）在不同的功率密度與PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的表面溫度關系圖；

（c）在不同NIR激光功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的激光開/關循環的加熱曲線；

（d）冷卻期，時間(t)和-lnθ之間的線性擬合相關圖；

（e）在功率密度從0.2-0.6 W cm^-2期間，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的紅外熱成像圖。

【小結】

本文通過微波輔助、原位碳化和靜電組裝工藝的簡便方法展示了2 D/1 D/0 D結構的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料，該復合材料具有優異的電磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔韌性、疏水性和光熱功能。在二維Ti₃C₂T_x MXene片材上引入類海膽CNTs/Co納米復合材料，形成層疊的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料，以改善電磁波吸收并提高EMI屏蔽效率。改進后的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料實現了-85.8 dB的強反射損耗、6.1 GHz的寬EAB、1.4 mm的超薄厚度和5 wt%的超低填料負載能力和優化的阻抗匹配。研究表明，電磁波吸收性能源自一維碳納米管和二維Ti₃C₂T_x導電網絡中電子傳輸的傳導損耗之間的協同效應增強，介電損耗源于偶極極化和豐富的界面在層狀結構中，以及由0 D Co納米顆粒的鐵磁共振產生的磁損耗。Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出110.1 dB的高EMISE，這源于優異的導電性、電和/或磁偶極極化、界面極化、自然共振和多次內反射。此外，PDMS使Ti₃C₂T_x/CNTs/Co疏水，接觸角為~110.3°，可以防止MXene在高濕度條件下降解/氧化。此外，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出優異的光熱轉換性能、高熱循環穩定性和韌性。因此，多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料具有出色的電磁波吸收和EMI屏蔽效率、光驅動加熱性能、柔韌性和防水特性的獨特融合，非常有希望用于下一代智能電磁衰減系統。

文獻鏈接Flexible and Waterproof 2D/1D/0D Construction of MXene-Based Nanocomposites for Electromagnetic Wave Absorption, EMI Shielding, and Photothermal Conversion（Nano-Micro Letters ?DOI: 10.1007/s40820-021-00673-9）。

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