Science：只有想不到，没有做不到，MXene展现地表最强电磁吸收性能

纳米人

2020-07-28

第一作者：Aamir Iqbal

通讯作者：Chong Min Koo（韩国科学技术院）、Yury Gogotsi（德雷塞尔大学）

通讯单位：韩国科学技术院、德雷塞尔大学

研究亮点：

1．MXene材料电磁屏蔽性能。

2．热煅烧处理提高电磁屏蔽、机理研究。

研究背景

质量较轻、超薄、柔性电磁干扰屏蔽材料在保护电学线路、便携式电信设备、消除器件中各组分的串扰中有广泛应用前景。

MXene是Yury Gogotsi等在2011年首先开发的一种二维结构材料，其具有一些优秀的性质，比如非常高的强度、导电性、分子过滤作用等。其中含Ti的MXene材料具有阻断和吸收电磁干扰的能力，并且性能高于目前已知的各种材料，甚至比大多数电学设备中常用的金属薄膜效果更好。

Yury Gogotsi评价说，“这个发现是对目前电磁屏蔽材料性能的突破，其不仅仅展现了高于Cu的电磁屏蔽效果，同时其作为二维材料展现出和块体材料不同的抗电磁屏蔽能力”。

图1. MXene材料结构和组成

拟解决或者拟探索的关键问题

开发具有优异电磁屏蔽效应的MXene材料。

成果简介

有鉴于此，韩国科学技术院Chong Min Koo、德雷塞尔大学Yury Gogotsi等报道了二维过渡金属碳化物材料Ti₃CNT_x MXene，具有合适的导电性，并且展现出高于相同厚度的Ti₃CT_x或金属薄膜材料的屏蔽能力。

 图2. MXene热煅烧处理。

要点1：Ti₃CNTx型MXene材料电磁热处理制备和表征

通过真空辅助过滤（vacuum-assisted filtration）Ti3CNTx，Ti3C2Tx分散液的方法得到不同厚度的独立的膜，随后分别在150 ℃，250 ℃，350 ℃中的Ar气氛中进行热煅烧处理。粉末衍射XRD结果显示，热处理后的材料（002）晶面对应的峰位置由5.76°分别移动到6.3°、6.76°、7.1°，对应于层间距由1.53 nm移动到1.40 nm，1.31 nm，1.24 nm。虽然更高的煅烧温度导致层间距降低，但是孔径大小和孔体积增加，这是由于材料的氧化程度增加。本征材料的导电率为1125 S cm^-1，热煅烧后材料的导电性提高，并在250 ℃煅烧时达到最大导电率2375 S cm^-1，同时在350 ℃中煅烧电导率反而稍有降低（1786 S cm^-1）。

要点2：电磁屏蔽性能测试

电磁屏蔽作用。屏蔽效率SE（shielding effectiveness）测试结果显示，煅烧前的本征材料电磁屏蔽效应的SET为61 dB，在150 ℃，250 ℃，350 ℃中煅烧后，电磁屏蔽效应分别提高为77 dB，99 dB，116 dB。

电磁屏蔽测试优势。厚度在50~100 μm范围内屏蔽效果大于50 dB的材料能够在实际情况中应用，本工作中热处理的Ti3CNTx的电磁屏蔽性能达到116 dB，说明具有较好的应用前景。

 图3. MXene材料电磁屏蔽性能。

 图4. MXene材料电磁屏蔽性能和已有材料性能的比较。

要点3：电磁屏蔽机理

作者尝试计算方法对材料的屏蔽性能进行计算，并发现对未煅烧的材料而言，模拟计算和实验结果很相符，但是对于煅烧处理，模拟计算结果无法给出实验中出现的大幅度电磁屏蔽提升效果。作者认为除了导电性、多孔性对电磁屏蔽的影响，热煅烧处理过程可能导致了原子层展现出超材料结构，这种结构通过介电常数和磁导率的调控提升了材料的电磁吸收。具体的作用机制作者认为需要进一步深入研究。

前期工作

图5. 前期工作 Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)，Science, 2016, 353, 1137-1140. DOI：10.1126/science.aag2421。

2016年，Yury Gogotsi等首次发现含Ti的MXene材料具有较好的电磁屏蔽性能，并提出了这种二维材料电磁屏蔽的机制。当电磁波遇到MXene材料的界面，部分电磁波发生反射（高导电性的材料中载流子浓度较高，提高了电磁波反射性能），同时MXene材料界面上的官能团产生界面偶极作用，产生一定的电磁波吸收能力。进一步的，穿透MXene材料的电磁波能量发生消耗，并再一次发生类似的反射/吸收/透过过程，在材料中产生多重内部电磁波反射现象。

参考文献

Aamir Iqbal, et al. Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti₃CNT_x (MXene), Science 2020

DOI：10.1126/science.aba7977

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446

作者简介

Yury Gogotsi教授，是美国德雷克塞尔大学杰出教授、纳米技术研究所所长，是世界著名材料专家、ACS Nano杂志副主编、碳素材料和陶瓷材料技术领域的国际知名学者。他所领导的研究组开创了二维层状陶瓷材料（MAXene）方面的研究，在海水淡化、电容去离子技术、储能电池、超级电容器等研究领域做出重大贡献。

网站：https://nano.materials.drexel.edu/