同济大学陆伟Nano-Micro Lett.：柔性疏水2D/1D/0D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

【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Ti₃C₂T_x/碳纳米管/Co纳米颗粒(Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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，Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的结构表征

（a，b）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_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）Ti₃C₂T_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）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的N₂脱吸附曲线图。

图 2 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的图像及成分表征

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

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

（m）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的元素Mapping图。

图 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图；

（d-f）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co的相对输入阻抗模量(|Z_in/Z₀|)图；

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

（h）Ti₃C₂Tx、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co纳米复合材料的衰减常数(α)图。

图 4 Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的电磁干扰屏蔽性能

（a-d）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的横截面SEM图像；

（e，f）不含Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的无线电力传输电路的照片，LED亮起；含有Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜，LED熄灭；

（g）Ti₃C₂T_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）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的平均SE_T和不同CNT含量的40 μm厚Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的SE_A/SE_T和SE_R/SE_T比率/Co图；

（j）Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_x/CNTs/Co(10 wt.%)纳米复合材料的平均SE_T图；

（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值的比较图。

图 5 PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的自清洁性能

（a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的弯曲图；

（b）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜和PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的接触角；

（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）在涂层滤纸上，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜自清洁测试的光学图。

图 6 PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的光热性能

（a）在不同NIR激光功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_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@Ti₃C₂T_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@Ti₃C₂T_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@Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_x MXene片材上引入类海胆CNTs/Co纳米复合材料，形成层叠的Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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。Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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@Ti₃C₂T_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Ti₃C₂T_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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