定向排列MXene/明胶纳米复合气凝胶制备及其各向异性电磁波吸收

无线电子设备和装备的广泛应用，不仅会造成严重的电磁干扰污染，也会对军事目标的战场生存带来严重威胁。因此，一种高效的电磁波吸收材料在民用和军事应用中都有着迫切需要。在众多吸波材料中，石墨烯和MoS₂等二维材料由于独特的二维晶格结构和固有的高导电性，显示出宽频带的微波高吸收潜力。近年来，二维过渡金属碳化物和氮化物（MXene）越来越受到研究人员的关注，这种新型的二维纳米材料通常从相应的MAX相中选择性腐蚀“A”元素来合成，因此可以用M_n+1X_nT_x（n=1、2和3）表示，其中M代表早期过渡金属，X表示碳或氮，T_x代表表面终端。MXene纳米片的高导电性和丰富的亲水表面基团赋予其极强的电磁波损耗能力，因此非常适用于制备高性能吸波材料。一些纯MXene、MXene改性和MXene/Fe₃O₄复合材料的研究工作，已经证实了MXene用于电磁损耗的可行性。然而，这些MXene基电磁波吸收材料的有效吸收带宽仍然很小（<4GHz），无法满足实际应用的要求。此外，目前所报道的大多数吸波材料中，MXene是在蚀刻后直接使用或通过过滤或其他方法简单地制备成薄膜，其中MXene纳米片的聚集限制了表面极化衰减，导致材料密度通常较高。将二维MXene纳米片组装成三维多孔结构是减少片材聚集堆积、降低材料密度和拓宽吸波带宽的最有效策略。然而，由于弱层间相互作用而无法保持独立结构，范德瓦尔斯力组装的三维纯MXene材料通常表现出很差的机械强度，因此，如何制造出机械强度高、电磁损耗强的三维MXene结构仍然是一个巨大的挑战。同时，MXene纳米片独特的二维晶格结构导致了各向异性的物理特性，如平面内和平面外的电导率差异很大，这将使单向排列的三维MXene结构具有各向异性的吸波能力。但是，到目前为止，这一特性并未引起足够的关注。近日，相关研究人员报道了一种采用单向冷冻干燥方法，制备各向异性Ti₃C₂T_xMXene@明胶(M@G)复合气凝胶吸波材料的方法（图1）。通过控制MXene和明胶的比例，成功制备了M@G-15、M@G-30和M@G-45等三种复合气凝胶材料，如图2a和b所示。明胶作为一种“化学胶”被引入到Ti₃C₂T_x纳米片之间，用于增强MXene的相互作用，得到了具有更强的各向异性力学性能的复合气凝胶。单向冷冻干燥制备的M@G复合气凝胶，表现出各向异性的排列性能，其水平方向和垂直方向的微观形貌如图2d-s所示。定向轻量化的M@G复合气凝胶在水平方向上可以很容易地支撑2000倍的自重（图2c），但在垂直方向上表现出高度的弹性。定向排列的Ti₃C₂T_x纳米片的形状各向异性，也使得复合气凝胶形成了各向异性的电磁响应（图3）和吸波特性（图4）。对于沿水平方向传输的电磁波，M@G-45造14.04GHz处的最低反射衰减可达到-59.5dB，同时有效吸收带宽（反射衰减低于-10dB的带宽）可以达到6.24GHz。而对于沿垂直方向传输的电磁波，气凝胶的最低反射衰减移动到低频的4.08GHz处，同时该处的有效吸收带宽降低至0.86GHz。M@G气凝胶显著的各向异性吸波性能，主要源二维Ti₃C₂T_x纳米片自身的电磁损耗各向异性，以及复合材料高度定向的多孔结构。由于Ti₃C₂T_x纳米片具有较高的面内导电性和丰富的表面基团，与面外相比，Ti₃C₂T_x纳米片表现出更强的面内欧姆损耗和极化弛豫损耗能力。在M@G复合气凝胶材料中，这种微观各向异性的电磁损耗特性被单向排列的结构放大，使得复合材料宏观上在平行方向上显示出明显较大的介电常数和导电率。由于电磁波的横波特性，平行方向上的较高导电率会导致较小的趋肤深度和垂直方向上更强的衰减能力。另一方面，单向排列的Ti₃C₂T_x纳米片在垂直方向上形成了一层层的Ti₃C₂T_x电磁波传输屏障，并在平行方向上形成了隧道状的电磁波传导路径。当M@G复合气凝胶中Ti₃C₂T_x的含量较低时，平行方向的隧道状电磁波路径对电磁波消散的能力较弱；相反，由于层层Ti₃C₂T_x屏障具有很强的衰减能力和多层散射效应，复合气凝胶在垂直方向上的吸波能力显著增强（图5）。随着Ti₃C₂T_x含量的增加，平行方向上排列更密实Ti₃C₂T_x隧道的耗散能力增强，但垂直方向上Ti₃C₂T_x更多聚集则会导致更强的表面反射，因此M@G复合气凝胶在平行方向上逐渐表现出更好的吸波性能。文章通过简单的单向冷冻干燥技术成功制备了MXene纳米片定向排列的MXene@明胶的气凝胶材料，并展现了极佳的电磁波吸收性能。同时，这种轻量化的M@G复合气凝胶为吸波材料的定向排列提供了技术参考，并展现出广阔的应用前景。

相关论文：

Yang, M. L., et al. (2020). "Anisotropic Electromagnetic Absorption of Aligned Ti3C2TxMXene/Gelatin Nanocomposite Aerogels." Acs Applied Materials &Interfaces 12(29): 33128-33138.

信息来源:潘家亮 OIL实验室

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