同濟大學陸偉團隊Nano-Micro Letters：用于電磁波吸收、EMI屏蔽和光熱轉換的MXene基納米復合材料的柔性和防水2D/1D/0D結構

【引言】

通信技術的飛速發展和日益小型化、智能化的電子設備造成了嚴重的電磁干擾(EMI)、信息泄露，甚至影響到人類健康和周圍環境。通常，有效的電磁衰減材料能減少不良電磁波的反射和透射。此外，將輕質、薄層和柔性集成到一種材料中，用于下一代電磁波吸收和EMI屏蔽應用是非常理想的。低維納米材料以其獨特的大比表面積、柔性和電子結構可調等特性受到人們的廣泛關注。MXene（多功能二維層狀金屬碳化物和氮化物）具有獨特的多層結構、高比表面積、良好的導電性和類金屬性能，在新型電磁波吸收和EMI屏蔽材料中具有很大的潛力。對于電磁波吸收材料，其特點是入射電磁波的反射和透射都很小。為了更有效地捕獲和衰減電磁波，需要調節阻抗匹配和電磁參數。此外，MXene的高導電性和多重內反射有助于形成高效EMI屏蔽材料。因此，充分利用元件損耗機制的協同作用，合理設計新型結構，探索電磁波吸收和EMI屏蔽材料的發展是十分必要的。近年來，已有研究報道將堿本征導電聚合物、磁性納米粒子/納米線、石墨烯片和碳納米管等碳納米材料與MXene結合制備新型電磁衰減材料。然而，關于0D磁性納米顆粒、1D碳納米管和2D MXene復合的層狀多孔結構用于高效電磁波吸收和EMI屏蔽的報道很少。因此，在成分和結構互補的基礎上，由0D磁性納米顆粒、1D碳納米管和2D MXene復合成的層狀MXene/CNTs/MNP納米復合材料是值得廣泛研究的高效電磁衰減材料。此外，隨著高度集成的第五代（5G）無線技術和可穿戴設備的普及，電磁波吸收和EMI屏蔽材料通過整合其固有的吸收和屏蔽能力，以及柔性、疏水和能量轉換功能等新穎的功能。考慮到在蝕刻和分層過程中引入的大量表面終止基團（O、F或OH基）；在潮濕條件下的使用，MXene很容易在高濕度環境下進行降解/氧化，這可能會降低其吸收電磁波和屏蔽電磁干擾性能的穩定性和可靠性。因此，表面的防水處理顯得尤為重要和迫切。另外，高效的光熱性能將拓寬MXene基復合材料的實際應用范圍。研究MXene/CNTs/MNP納米復合材料的光響應行為具有重要意義。因此，疏水表面的制備和功能化以及光熱轉換技術的發展將有助于提高其在各種技術應用中的電磁波吸收和EMI屏蔽方面的實用性。

【成果簡介】

近日，在同濟大學陸偉教授團隊等人帶領下，報告了一種靜電組裝的方法來制備2D/1D/0D結構的Ti₃C₂T_x/碳納米管/Co納米顆粒（Ti₃C₂T_x/CNTs/Co）納米復合材料，具有良好的電磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔性、疏水性和光熱轉換性能。該材料實現了-85.8 dB的強反射損耗和1.4 mm的超薄厚度。同時，高EMI屏蔽效率達到110.1dB。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、自然共振和多重內反射。此外，一層薄薄的聚二甲基硅氧烷使親水層狀的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co具有疏水性，可防止MXene在高濕度條件下的降解/氧化。另外，Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出顯著的光熱轉換性能，具有較高的熱循環穩定性和持久性。因此，多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料具有獨特的電磁波吸收和EMI屏蔽、光驅動加熱性能和柔性防水特性，是極有前景的下一代智能電磁衰減系統。該成果以題為“Flexible and Waterproof 2D/1D/0D Construction of MXene-Based Nanocomposites for Electromagnetic Wave Absorption, EMI Shielding, and Photothermal Conversion”發表在了Nano-Micro Letters上。

【圖文導讀】

圖1 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料形成過程示意圖

圖2 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的結構性能表征

a,b）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co 納米復合材料的 XRD （a）和拉曼光譜（b）。

c-f）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的XPS總譜（c）、Ti 2p XPS光譜（d）、C 1 s XPS光譜（e）和N₂吸附-解吸等溫線（f）

圖3 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的形貌表征

a）Ti₃C₂T_x、b）Co-MOFs、c）CNTs/Co和g–i）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的SEM圖像。

d）Ti₃C₂T_x、e）Co-MOFs、f）CNTs/Co和j-l）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的TEM圖像。

m）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的EDS元素分布圖。

圖4 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的電磁波吸收性能

a）Ti₃C₂T_x，(b) Ti₃C₂T_x/CNTs/Co，(c) CNTs/Co的RL值的3D圖。

d）Ti₃C₂T_x，(e) Ti₃C₂T_x/CNTs/Co，(f) CNTs/Co的相對輸入阻抗模量|Z_in/Z₀|的2D等高線圖。

g）CNTs/Co-5.0 mm、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co-1.4 mm和Ti₃C₂T_x-1.0 mm的RL曲線。

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

圖5?Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的EMI屏蔽性能

圖6?Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的柔性和疏水性

a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的彎曲照片。

b）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜和PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的水接觸角（CA）。插圖是測量薄膜表面的水附著力（3 μL水滴）的照片。

c-f）表面水滴（半透明）、牛奶（白色）和咖啡（黃色）溶液的照片，

g）涂層濾紙上自潔測試的光學照片。

圖7?Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的光熱性能

a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜在不同近紅外激光功率密度下的光熱加熱和冷卻曲線。

b）在逐漸變化的功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的表面溫度。

c）不同近紅外激光功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的5次激光開/關的加熱曲線。

d）由冷卻周期得到的時間(t)與-lnθ的線性擬合關系。

e）功率密度從0.2 W cm^?2上升到0.6 W cm^?2時，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂層的紅外熱像圖。

【小結】

綜上所述，團隊通過微波輔助、原位碳化和靜電組裝工藝的方法，構建了具有優異的電磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔性、疏水性和光熱功能的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料的2D/1D/0D結構。在二維Ti₃C₂T_x?MXene片上引入海膽狀CNTs/Co納米復合材料，形成層狀Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料，改善電磁波吸收，提高EMI屏蔽效率。通過改善衰減能力和優化阻抗匹配，層狀Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料實現了-85.8dB的強反射損耗，6.1?GHz的寬EAB，1.4?mm的超薄厚度和5wt%的超低填充量。對其基本機制的研究表明，電磁波吸收性能的提高是由一維CNTs和二維Ti₃C₂T_x導電網絡中的電子傳輸產生的傳導損耗，層狀結構中的偶極極化和豐富的界面產生的介電損耗，0D Co納米顆粒的鐵磁共振產生的磁損耗之間的協同效應造成的。Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出110.1分貝的高EMI SE，這是由優異的電導率、電/磁偶極極化、界面極化、自然共振和多重內反射引起的。此外，PDMS使親水的分層Ti₃C₂T_x/CNTs/Co具有疏水性，其水接觸角約為110.3°，可以防止MXene在高濕度條件下的降解/氧化。有趣的是，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表現出優異的光熱轉換性能，具有較高的熱循環穩定性和持久性。因此，研究的多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co納米復合材料具有獨特的電磁波吸收和EMI屏蔽效率、光驅動加熱性能、柔性和防水特性，這是非常有前景的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，2021，DOI：10.1038/s41467-021-22005-6）

本文由木文韜翻譯，材料牛整理編輯。

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