【研究背景】
自从2016年MXene作为高效电磁屏蔽材料登上Science期刊后，MXene在电磁屏蔽以及吸波领域的应用受到了广泛关注。其中，Ti3C2Tx 薄膜作为目前屏蔽效能最好的材料，在电磁屏蔽领域已为人熟知并被广泛研究。尽管已经有超过30种MXene被报道，针对MXene这一类材料的组成，层状结构及其微观结构内过渡金属元素原子的排列等因素电磁屏蔽效能影响的研究依然有限。为了系统研究并提供尽量全面的参考， Drexel 大学的Yury Gogotsi课题组对16种不同MXene材料进行系统研究对比，全面研究了MXene的组成，结构等因素与它们的电磁屏蔽性能之间的影响关系。该工作日前以“Beyond Ti3C2Tx: MXenes for Electromagnetic Interference Shielding”为题发表在国际著名期刊ACS Nano上。
【图文简介】
图1. 文章中所合成的MXene，示意图为[110]晶带轴方向上MXene结构图。
本工作中涉及的MXene可分为四大类，即单过渡金属MXene（1M），M位固溶体MXene（SS-M），S位固溶体MXene（SS-X）， 以及有序双过渡金属MXene（2M）。电磁屏蔽测试结果表明，X波段内，所有样品屏蔽效能均随频率升高而降低，呈现准线性关系。此结果表明MXene的电导性质依赖于频率。此外，进一步对比分析发现，对于M位固溶体MXene来说，可以通过调节不同金属元素的比例来调节其电磁屏蔽性能。通过图2h可以发现，当SET 值较高时，SER, SEA,值均比较高，这说明MXene薄膜的电磁屏蔽效能更多是由对电磁波反射贡献的。
图2. 不同MXene随频率变化的电磁屏蔽效能示意图。（a）Ti2CTx 纳米片TEM图，（b）双层Ti2CTx 纳米片的截面TEM图。（c）通过喷涂在玻璃基底上制备的Ti2CTx薄膜的截面TEM图。（d）通过真空抽滤法制备的Ti2CTx薄膜的截面TEM图。（e）不同MXene薄膜（M2XTx,M3X2Tx, M4X3Tx）在8.2-12.4 GHz范围内的电磁屏蔽效能，样品厚度5 ± 0.3 μm。M位固溶体MXene TiyNb2-yCTx (f)和 NbyV2-yCTx (g) (厚度5 ± 0.3 μm) 在8.2-12.4 GHz范围内的电磁屏蔽效能。(h) 不同的MXene薄膜(厚度5 ± 0.3 μm)在8.2-12.4 GHz范围内的电磁屏蔽效能平均值(SER, SEA,SET)对比。
由于电磁屏蔽对于屏蔽材料的厚度依赖性较高，因此研究人员对于厚度的影响也进行了系统研究。图3展示了各种MXene薄膜在不同厚度下的电磁屏蔽值。结合理论计算和实验测量，发现SEA 和 SER 值均随厚度增加而增加。对抽滤法制备的MXene薄膜进行研究发现（图3d），所有MXene薄膜的SET值均随厚度呈非线性单调增加的趋势，同时与电导率模拟值很好的吻合。
图3. 不同MXene薄膜厚度对屏蔽值得影响。（a）基于传输矩阵理论模型下电磁波正入射时与MXene的相互作用示意图，（b）旋涂法和喷涂法在玻璃基底上制备的MXene（Ti3C2Tx 和 Ti2CTx）薄膜，（c）电磁波频率为10GHz时，旋涂和喷涂MXene（Ti3C2Tx 和 Ti2CTx）薄膜不同厚度时，理论模拟与实验测试得到的电磁屏蔽效能，（d）电磁波频率为10GHz时，抽滤制备的MXene薄膜不同厚度时）（1-15 μm），理论模拟与实验测试得到的电磁屏蔽效能对比，（e）和（f）分别为NbyV2−yCTx 和 TiyNb2−yCTx薄膜在不同厚度下10 GHz时的电磁屏蔽模拟值与实验值的对比。
图4. 不同MXene样品电磁屏蔽效能与电导率关系图。
随后作者对电导率与电磁屏蔽的关系进行了研究。图4a展示了通过抽滤制备的不同种类MXene薄膜的电导率对比，可以发现MXene的电导率可以通过调节MXene的组成来进行调节。而通过对比基于理论模拟得到的电磁屏蔽值和实验测量得到的电磁屏蔽值可以发现，电导率高于100 S m-1时，二者具有比较好的吻合性：电磁屏蔽效能随电导率呈现非线性增长。而电导率低于100 S m-1时，实验值高于模拟值，这说明影响电磁屏蔽效能的因素不止于电导率。作者指出，这种现象可能是由于实际情况下，电导率低于100 S m-1时，介电极化等反应是不可忽略的，而作者在理论模拟过程中采用的传输矩阵理论与Simon公式均未考虑介电极化效应。此外，以上理论也未考虑MXene在X波段下的交流电导率和直流电导率。因此，为进一步解释MXene在电磁屏蔽领域的应用，还需进行进一步研究。
图5. 不同材料电磁屏蔽性能对比。
【研究总结】
作者通过制备16种具有不同组成和结构的MXene材料，并对其电磁屏蔽性能进行了研究。通过理论模拟与实验测量，作者揭示了MXene的组成和结构对MXene的电磁屏蔽性能的影响。这也是迄今为止对于MXene电磁屏蔽应用最全面的研究，同时为今后研究MXene在电磁屏蔽领域应用的科研人员提供了很好的指导。
【参考文献】
Meikang Han; Christopher Eugene Shuck; Roman Rakhmanov; David Parchment; Babak Anasori; Chong Min Koo; Gary Friedman; Yury Gogotsi，Beyond Ti3C2Tx: MXenes for Electromagnetic Interference Shielding，DOI: 10.1021/acsnano.0c01312
文章来源：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c01312
信息来源： DT新材料
