同济大学陆伟Nano-Micro Lett.：柔性疏水结构的MXene基纳米复合材料用于电磁波吸收、EMI屏蔽和光热转换
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【引言】
随着通信技术的飞速发展和电子设备的日益智能化，电磁干扰（EMI）和信息泄露越来越严重。有效的电磁衰减材料可以减少不需要的电磁波的反射和传输。将重量轻、厚度薄和柔韧性特点结合到一种材料中，以用于下一代电磁波吸收和EMI屏蔽应用。低维纳米材料因其大的表面积、柔韧性和可调谐电子结构的特性而备受关注。MXene由于其独特的多层微结构、高比表面积、良好的导电性和类金属特性，在新型电磁波吸收和EMI屏蔽材料方面具有巨大的潜力。MXene的高电导率和多次内反射有助于形成高效的EMI屏蔽材料。因此，高导电性、机械可靠性、重量轻的一维(1 D)碳纳米管(CNT)与MXene集成以组装MXene/CNTs复合材料能够有效屏蔽电磁波和吸收电磁波。此外，将磁性纳米粒子与MXene结合可以增强的电磁耗散材料。虽然，具有新型结构的MXene基复合材料在电磁波吸收和EMI屏蔽方面取得了实质性进展。然而，关于将0 D磁性纳米粒子、1 D CNTs和2 D MXene组合起来用于高效电磁波吸收和EMI屏蔽的层状多孔结构的报道很少。
【成果简介】
近日，
中国同济大学
的
陆伟教授（通讯作者）等人
报道了一种静电组装方法，制备2 D/1 D/0 D结构的Ti
3
C
2
T
x
/碳纳米管/Co纳米颗粒(Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co)纳米复合材料，其具有优异的电磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔韧性、疏水性和光热转换表现。实现了-85.8 dB的强反射损耗和1.4 mm的超薄厚度，高EMI屏蔽效率达到110.1 dB。优异的电磁波吸收和屏蔽性能源于电荷载流子、电/磁偶极极化、界面极化、自然共振和内反射。此外，一层薄薄的聚二甲基硅氧烷使亲水的分层Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co具有疏水性，这可以防止MXene在高湿度条件下降解/氧化。此外，Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜表现出显着的光热转换性能、热循环稳定性和韧性。因此，多功能Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料具有出色的电磁波吸收和EMI屏蔽、光驱动加热性能和灵活的防水特性的独特融合，非常有希望用于下一代智能电磁衰减系统。相关成果以
“
Flexible and Waterproof 2D/1D/0D Construction of MXene-Based Nanocomposites for Electromagnetic Wave Absorption, EMI Shielding, and Photothermal Conversion
”发表在
Nano-Micro Letters
上。
【图文导读】
图
1 Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
纳米复合材料的结构表征
（a，b）Ti
3
C
2
T
x
、Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co和CNTs/Co纳米复合材料的XRD衍射花样和拉曼光谱图；
（c-e）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料的XPS光谱、Ti 2p XPS光谱和C 1s XPS光谱图；
（f）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料的N
2
脱吸附曲线图。
图
2 Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
纳米复合材料的图像及成分表征
（a-c，g-i）Ti
3
C
2
T
x
、Co-MOFs、CNTs/Co和Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co的SEM图像；
（d-f，j-l）Ti
3
C
2
T
x
、Co-MOFs、CNTs/Co和Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co的TEM图像；
（m）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co的元素Mapping图。
图
3 Ti
3
C
2
T
x
、
Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
和
CNTs/Co
的吸波材料性能
（a-c）Ti
3
C
2
T
x
、Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co和CNTs/Co的RL图；
（d-f）Ti
3
C
2
T
x
、Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co和CNTs/Co的相对输入阻抗模量(|Z
in
/Z
0
|)图；
（g）CNTs/Co-5.0 mm、Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co-1.4 mm和Ti
3
C
2
T
x
-1.0 mm的RL图；
（h）Ti
3
C
2
Tx、Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co和CNTs/Co纳米复合材料的衰减常数(α)图。
图
4
Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
薄膜的
电磁干扰屏蔽性能
（a-d）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜的横截面SEM图像；
（e，f）不含Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜的无线电力传输电路的照片，LED亮起；含有Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜，LED熄灭；
（g）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料的平均SE
T
、SE
A
和SE
R
值的3D直方图；
（h，i）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料的平均SE
T
和不同CNT含量的40 μm厚Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料的SE
A
/SE
T
和SE
R
/SE
T
比率/Co图；
（j）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co (10 wt.%)纳米复合材料的平均SE
T
、SE
A
和SE
R
值的3D直方图；
（k）不同厚度Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co(10 wt.%)纳米复合材料的平均SE
T
图；
（l）不同厚度Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co (10 wt.%)和Ti
3
C
2
T
x
薄膜的EMI ΔSE
T
、ΔSE
A
和ΔSE
R
值的比较图。
图
5
PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
薄膜的自清洁性能
（a）PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜的弯曲图；
（b）Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜和PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜的接触角；
（c-f）水、牛奶和咖啡溶液液滴位于PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜表面的照片；
（g）在涂层滤纸上，PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜自清洁测试的光学图。
图
6
PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co
薄膜的光热性能
（a）在不同NIR激光功率密度下，PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜的光热加热和冷却曲线；
（b）在不同的功率密度与PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co涂层的表面温度关系图；
（c）在不同NIR激光功率密度下，PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co涂层的激光开/关循环的加热曲线；
（d）冷却期，时间(t)和-lnθ之间的线性拟合相关图；
（e）在功率密度从0.2-0.6 W cm
-2
期间，PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co涂层的红外热成像图。
【小结】
本文通过微波辅助、原位碳化和静电组装工艺的简便方法展示了2 D/1 D/0 D结构的Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料，该复合材料具有优异的电磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔韧性、疏水性和光热功能。在二维Ti
3
C
2
T
x
MXene片材上引入类海胆CNTs/Co纳米复合材料，形成层叠的Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料，以改善电磁波吸收并提高EMI屏蔽效率。改进后的Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料实现了-85.8 dB的强反射损耗、6.1 GHz的宽EAB、1.4 mm的超薄厚度和5 wt%的超低填料负载能力和优化的阻抗匹配。研究表明，电磁波吸收性能源自一维碳纳米管和二维Ti
3
C
2
T
x
导电网络中电子传输的传导损耗之间的协同效应增强，介电损耗源于偶极极化和丰富的界面在层状结构中，以及由0 D Co纳米颗粒的铁磁共振产生的磁损耗。Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜表现出110.1 dB的高EMISE，这源于优异的导电性、电和/或磁偶极极化、界面极化、自然共振和多次内反射。此外，PDMS使Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co疏水，接触角为~110.3°，可以防止MXene在高湿度条件下降解/氧化。此外，PDMS@Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co薄膜表现出优异的光热转换性能、高热循环稳定性和韧性。因此，多功能Ti
3
C
2
T
x
/CNTs/Co纳米复合材料具有出色的电磁波吸收和EMI屏蔽效率、光驱动加热性能、柔韧性和防水特性的独特融合，非常有希望用于下一代智能电磁衰减系统。
文献链接：
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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