同济大学陆伟团队Nano-Micro Letters：用于电磁波吸收、EMI屏蔽和光热转换的MXene基纳米复合材料的柔性和防水2D/1D/0D结构

【引言】

通信技术的飞速发展和日益小型化、智能化的电子设备造成了严重的电磁干扰(EMI)、信息泄露，甚至影响到人类健康和周围环境。通常，有效的电磁衰减材料能减少不良电磁波的反射和透射。此外，将轻质、薄层和柔性集成到一种材料中，用于下一代电磁波吸收和EMI屏蔽应用是非常理想的。低维纳米材料以其独特的大比表面积、柔性和电子结构可调等特性受到人们的广泛关注。MXene（多功能二维层状金属碳化物和氮化物）具有独特的多层结构、高比表面积、良好的导电性和类金属性能，在新型电磁波吸收和EMI屏蔽材料中具有很大的潜力。对于电磁波吸收材料，其特点是入射电磁波的反射和透射都很小。为了更有效地捕获和衰减电磁波，需要调节阻抗匹配和电磁参数。此外，MXene的高导电性和多重内反射有助于形成高效EMI屏蔽材料。因此，充分利用元件损耗机制的协同作用，合理设计新型结构，探索电磁波吸收和EMI屏蔽材料的发展是十分必要的。近年来，已有研究报道将碱本征导电聚合物、磁性纳米粒子/纳米线、石墨烯片和碳纳米管等碳纳米材料与MXene结合制备新型电磁衰减材料。然而，关于0D磁性纳米颗粒、1D碳纳米管和2D MXene复合的层状多孔结构用于高效电磁波吸收和EMI屏蔽的报道很少。因此，在成分和结构互补的基础上，由0D磁性纳米颗粒、1D碳纳米管和2D MXene复合成的层状MXene/CNTs/MNP纳米复合材料是值得广泛研究的高效电磁衰减材料。此外，随着高度集成的第五代（5G）无线技术和可穿戴设备的普及，电磁波吸收和EMI屏蔽材料通过整合其固有的吸收和屏蔽能力，以及柔性、疏水和能量转换功能等新颖的功能。考虑到在蚀刻和分层过程中引入的大量表面终止基团（O、F或OH基）；在潮湿条件下的使用，MXene很容易在高湿度环境下进行降解/氧化，这可能会降低其吸收电磁波和屏蔽电磁干扰性能的稳定性和可靠性。因此，表面的防水处理显得尤为重要和迫切。另外，高效的光热性能将拓宽MXene基复合材料的实际应用范围。研究MXene/CNTs/MNP纳米复合材料的光响应行为具有重要意义。因此，疏水表面的制备和功能化以及光热转换技术的发展将有助于提高其在各种技术应用中的电磁波吸收和EMI屏蔽方面的实用性。

【成果简介】

近日，在同济大学陆伟教授团队等人带领下，报告了一种静电组装的方法来制备2D/1D/0D结构的Ti₃C₂T_x/碳纳米管/Co纳米颗粒（Ti₃C₂T_x/CNTs/Co）纳米复合材料，具有良好的电磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔性、疏水性和光热转换性能。该材料实现了-85.8 dB的强反射损耗和1.4 mm的超薄厚度。同时，高EMI屏蔽效率达到110.1dB。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、自然共振和多重内反射。此外，一层薄薄的聚二甲基硅氧烷使亲水层状的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co具有疏水性，可防止MXene在高湿度条件下的降解/氧化。另外，Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表现出显著的光热转换性能，具有较高的热循环稳定性和持久性。因此，多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料具有独特的电磁波吸收和EMI屏蔽、光驱动加热性能和柔性防水特性，是极有前景的下一代智能电磁衰减系统。该成果以题为“Flexible and Waterproof 2D/1D/0D Construction of MXene-Based Nanocomposites for Electromagnetic Wave Absorption, EMI Shielding, and Photothermal Conversion”发表在了Nano-Micro Letters上。

【图文导读】

图1Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料形成过程示意图

图2Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的结构性能表征

a,b）Ti₃C₂T_x、Ti₃C₂T_x/CNTs/Co和CNTs/Co 纳米复合材料的 XRD （a）和拉曼光谱（b）。

c-f）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的XPS总谱（c）、Ti 2p XPS光谱（d）、C 1 s XPS光谱（e）和N₂吸附-解吸等温线（f）

图3Ti₃C₂T_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图像。

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

m）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的EDS元素分布图。

图4Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的电磁波吸收性能

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

d）Ti₃C₂T_x，(e) Ti₃C₂T_x/CNTs/Co，(f) CNTs/Co的相对输入阻抗模量|Z_in/Z₀|的2D等高线图。

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

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

图5Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的EMI屏蔽性能

图6Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的柔性和疏水性

a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的弯曲照片。

b）Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜和PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜的水接触角（CA）。插图是测量薄膜表面的水附着力（3 μL水滴）的照片。

c-f）表面水滴（半透明）、牛奶（白色）和咖啡（黄色）溶液的照片，

g）涂层滤纸上自洁测试的光学照片。

图7Ti₃C₂T_x/CNTs/Co的光热性能

a）PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜在不同近红外激光功率密度下的光热加热和冷却曲线。

b）在逐渐变化的功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂层的表面温度。

c）不同近红外激光功率密度下，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂层的5次激光开/关的加热曲线。

d）由冷却周期得到的时间(t)与-lnθ的线性拟合关系。

e）功率密度从0.2 W cm⁻²上升到0.6 W cm⁻²时，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co涂层的红外热像图。

【小结】

综上所述，团队通过微波辅助、原位碳化和静电组装工艺的方法，构建了具有优异的电磁波吸收、EMI屏蔽效率、柔性、疏水性和光热功能的Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料的2D/1D/0D结构。在二维Ti₃C₂T_xMXene片上引入海胆状CNTs/Co纳米复合材料，形成层状Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料，改善电磁波吸收，提高EMI屏蔽效率。通过改善衰减能力和优化阻抗匹配，层状Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料实现了-85.8dB的强反射损耗，6.1 GHz的宽EAB，1.4 mm的超薄厚度和5wt%的超低填充量。对其基本机制的研究表明，电磁波吸收性能的提高是由一维CNTs和二维Ti₃C₂T_x导电网络中的电子传输产生的传导损耗，层状结构中的偶极极化和丰富的界面产生的介电损耗，0D Co纳米颗粒的铁磁共振产生的磁损耗之间的协同效应造成的。Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表现出110.1分贝的高EMI SE，这是由优异的电导率、电/磁偶极极化、界面极化、自然共振和多重内反射引起的。此外，PDMS使亲水的分层Ti₃C₂T_x/CNTs/Co具有疏水性，其水接触角约为110.3°，可以防止MXene在高湿度条件下的降解/氧化。有趣的是，PDMS@Ti₃C₂T_x/CNTs/Co薄膜表现出优异的光热转换性能，具有较高的热循环稳定性和持久性。因此，研究的多功能Ti₃C₂T_x/CNTs/Co纳米复合材料具有独特的电磁波吸收和EMI屏蔽效率、光驱动加热性能、柔性和防水特性，这是非常有前景的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，2021，DOI：10.1038/s41467-021-22005-6）

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