港科大AM:?二維Ti3C2Tx?MXene：紅外顯白的黑色本征材料

研究背景

自然界中，除金屬材料外，絕大多數的材料都有很高的紅外發射率，即在紅外波段類似黑體。如木頭，水，泥土，石頭，多數塑料，布料和人體等的紅外發射率都在90%以上。常見的黑色材料如石墨，炭黑等也都有著很高的發射率和紅外吸收率（紅外顯黑）。黑色的低紅外發射材料（紅外顯白）在自然界的本征材料中更為少見，但是在很多領域都有著極大的需求，如光熱轉換、多頻譜隱身、隔熱、和信息防偽加密等。光熱轉換領域，低紅外發射率太陽能吸收材料可以抑制因輻射換熱導致的能量損失，從而獲得比黑體材料更高的光熱轉換效率。另外，即使這類材料表面溫度高于黑體材料，低發射率也使其在紅外探測中很好地隱藏自己，同時它的深黑色外表使其在弱光或者黑夜很難被發現，達到了紅外和可見光下的雙頻段隱身效果。由于本征材料缺乏理想的光譜選擇性，這種反直覺的光學特性不得不利用高精尖的納米制造技術構建復雜的亞波長超材料來實現。

成果簡介

近日，香港科技大學黃寶陵教授團隊聯合趙天壽院士團隊報道了二維Ti₃C₂T_x?MXene的本征低紅外發射率的特性，并從實驗和理論兩方面進行了充分的論證。具體來講，雖然二維Ti₃C₂T_x?Mxene膜在可見光，近紅外，和微波波段有很強的吸收特性，但在中紅外（2.5-20 微米）波段表現出高達90%的反射特性（圖1）。根據基爾霍夫熱輻射定律，?Ti₃C₂T_x?MXene的紅外發射率低至10%左右，與拋光的不銹鋼片相近，是迄今為止已知的具有最高太陽能吸收選擇性的本征材料。在一個太陽輻照下，暴露在空氣中的MXene膜相對于環境的溫升高達62°C，這是由于低紅外發射率抑制了輻射熱損失。相比之下，發射率高達93%的CNT膜在一個太陽輻照下的溫升僅為50°C（圖1）。作者還揭示了這種低發射率特性與MXene納米片的堆疊方式相關，但與厚度無關（圖2）。通過第一性原理計算，作者不僅證實了MXene材料的低發射率，還有很多更有意思的發現（圖4）。MXene材料的低發射率和納米片的取向和末端官能團。具體來說，當納米片與襯底平行排列，且末端有-OH和-F官能團時，薄膜的發射率更低。作者演示了這種低發射率、柔性的黑色本征材料在多孔基底光熱轉換、多頻譜隱身和防偽加密上的巨大潛力（圖3）。該工作開啟了二維材料MXene在中紅外波段的研究與應用的可能性。相關成果以“2D Ti₃C₂T_x?MXenes：Visible Black but Infrared White Materials”為題發表在國際著名期刊Advanced Materials上。本文第一作者為香港科技大學博士后研究員李洋，共同第一作者為香港科技大學熊誠博士，黃河博士。

圖文導讀

圖1 拋光金屬、碳材料和MXene的光學特性

(a, c) 拋光不銹鋼片的高太陽譜反射和高紅外反射特性。

(b, d) CNT膜的高太陽譜吸收和高紅外吸收特性。

(e, f) MXene膜的高太陽吸收和低紅外譜吸收特性。

(g) 一個太陽輻照下，MXene膜和CNT膜的溫升曲線。

(h) 常見本征材料的太陽能吸收率和紅外發射率對比。

(i) 紅外成像儀下，同為100°C的拋光不銹鋼片，CNT膜和MXene膜的圖像對比。

圖2 MXene膜的表征與光學特性

(a) MXene膜的橫截面。

(b) MXene膜的照片及XRD曲線。

(c) MXene膜上、下兩面的吸收/發射光譜曲線。

(d) MXene膜上、下兩面的紅外圖像對比。

(e) MXene膜上、下兩面的表面微結構對比。

(f) MXene膜吸收/發射光譜曲線隨厚度的變化。

圖3 低發射黑色MXene材料的潛在應用

(a-b) 基于多孔基底的光熱轉換應用，在多孔尼龍基底上，MXene膜維持了很高的光譜選擇性，而超材料失去了其選擇性。

(c-d) 多頻段隱身應用，MXene涂層實現了在紅外和可見光波段的雙波段隱身。

(e-g) 紅外防偽涂層應用，MXene墨水和普通的黑色墨水搭配，實現了肉眼不可分辨，但紅外可分辨的防偽效果。

圖4 第一性原理計算

(a) MXene的分子結構示意圖。

(b-c) 帶有不同末端官能團的Ti₃C₂?MXene 的介電常數的的實部和虛部。

(d) 帶有不同末端官能團的Ti₃C₂?MXene 的吸收/發射光譜曲線。

(e-f) Ti₃C₂和Ti₃C₂(OH)₂?MXene 在x, y, z方向上介電常數的實部和虛部。

(g) Ti₃C₂?和Ti₃C₂(OH)₂?MXene 在x, y, z方向上的吸收/發射光譜曲線。

(h) 除Ti₃C₂?MXene外，其他如Ti₂C，Nb₂C，和V₂C MXene的吸收/發射光譜曲線。

小結

綜上所述，作者報道了一類黑色的低發射率材料，二維MXene。自支撐的Ti₃C₂T_x?膜的太陽能吸收率高達90%，但紅外發射率低至10%，使其成為已知本征太陽能吸收材料中選擇性最高的材料。MXene的低發射率與其厚度無關，但與其表面粗糙度，納米片的排列方向，末端官能團都相關，這為調控其發射率提供了可能。另外第一性原理計算結果與實驗結果一致，同時預測了除Ti₃C₂外，其他MXene如T₂C，Nb₂C和V₂C也是潛在的低發射率材料。本工作為MXene在紅外波段的研究和應用做出了重要的嘗試， 但只是冰山一角，MXene大家族有眾多成員，它們的紅外特性尚待研究。

文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202103054

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