「MXenes之父」最新《ACS Nano》:MXenes電磁屏蔽性能與結構關係大...

2021-01-08 網易新聞

MXenes指的是二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，是由 美國德雷塞爾大學 Yury Gogotsi 教授課題組 在2011年發現的一種新型二維結構材料。其 化學通式可用M n+1 X n T z 表示 ，其中M指過渡族金屬(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)，X指C或/和N，n一般為1-3，Tz指表面基團(如O、OH、F、NH34等)。目前，MXenes主要通過HF酸或鹽酸和氟化物的混合溶液將MAX相中結合較弱的A位元素(如Al原子)抽出而得到， 具備組分靈活可調，最小納米層厚可控以及在水或有機溶劑中能夠穩定地分散等優勢，同時具有石墨烯高比表面積和高電導率 (MXenes電導率可高達14000 S cm1)，因此MXenes在 電磁屏蔽 鄰域顯示出了巨大的應用潛力。目前大多數的研究中主要使用的是Ti3C2Tx型MXenes，而MXenes的種類繁多， 了解清楚MXenes電磁屏蔽性能與MXenes的化學組成、物理結構之間的關係對於MXenes材料進一步的發展和研究具有重要的意義 。

近日， MXenes之父 Gogotsi教授 課題組在《 ACS Nano》上發表了題為「 Beyond Ti3 C2 Tx : MXenes for Electromagnetic Interference Shielding」的研究工作，在該研究工作中作者對16種不同化學元素組成和不同薄膜厚度的MXenes進行了電磁屏蔽性能研究和對比，結果顯示 除了Ti3 C2 Tx 之外，很多其它類型的MXenes在超薄狀態時也呈現出非常優異的電磁屏蔽性能；同時，作者還發現當 由二維材料組裝製備的薄膜處於很薄的狀態時，計算薄膜厚度與電池屏蔽性能的西蒙公式不再適用；為了建立一個通用的模型來評估MXene薄膜在從納米到微米的大厚度範圍內的電磁屏蔽性能， 作者採用 傳輸矩陣法 進行了模擬，發現高電導率的MXene薄膜的電磁屏蔽性能很符合這一模型的預測，而當MXenes薄膜電導率很低時，其電磁屏蔽數值高於理論模型預測值，這說明在 含大量極性表面官能團的低電導率二維材料中，電導率並不是影響電磁屏蔽性能的唯一因素，強極化作用以及伴隨的弛豫損耗，同樣有助於電磁波的吸收。

作者首先對比了厚度均為5 um、不同元素和比例組成的MXenes膜在X波段(8.212.4 GHz)的電磁屏蔽性能，結果如圖1所示。Mn+1XnTz中M為Ti的MXenes具有最佳的屏蔽性能，在X波段的平均屏蔽性能最大能達到55dB (Ti3C2Tx)。不過其它種類的MXenes也顯示出較好的屏蔽性能， 除了Nb2 CTx 、Mo2 TiC2 Tx 和Nb1.6 V0.4 CTx 這三種MXenes，其它12種在 5 um的厚度下的屏蔽性能均超過了20 dB ，這意味著99%的電磁波均能被屏蔽掉。

圖2.(a)~(c)為不同化學結構的MXenes薄膜(5 um)在X波段電磁屏蔽性能；(d)各種MXenes薄膜在X波段的平均吸收效能(SET)以及反射損耗(SER)和吸收損耗(SEA)的佔比

電磁屏蔽性能對材料的厚度具有很強的依賴性，但是 當 材料厚度低於電磁波的趨膚深度後 ，傳統的西蒙公式(屏蔽性能與材料厚度成線性關係) 不能再用來描述材料厚度與屏蔽性能之間的關係。作者採用 傳輸矩陣法進行了模擬，繪製了低厚度薄膜材料電磁屏蔽與厚度的關係曲線[圖2(a)是西蒙公式與該模擬曲線的差異]，發現 研究的16種MXenes在各種厚度( 從納米到微米 )的測試結果很符合這一模擬結果，圖2(b)和(c)分別是MXenes膜處以納米級厚度和微米級厚度下電磁屏蔽性能測試和模擬結果對比，圖中灰色曲線為模擬的結果。

圖2.(a)西蒙公式與該模擬曲線的差異；(b)納米級MXenes薄膜屏蔽性能與厚度之間的關係的實驗結果和理論模擬結果對比；(c)微米級MXenes薄膜屏蔽性能與厚度之間的關係的實驗結果和理論模擬結果對比

高電導性是電磁屏蔽材料具有優異屏蔽性能最重要的原因，作者對這16種MXenes膜(5 um)的電導率進行測試，並與屏蔽性能(10 GHz)進行了分析和擬合，發現 高電導率MXenes屏蔽性能與模擬結果幾乎完全重合，而低電導率MXenes屏蔽性能高於模擬結果(圖3)，分界線為電導率=100 S cm1。出現這一結果的原因是由於 高導電MXenes材料片層之間大量的充斥著大量的自由電子，主導著電磁屏蔽，而很少有介電極化損耗；而 低電導率的MXenes片層之間含有大量的 極性基團 ，產生大量的 弛豫損耗 有助於電磁波的吸收。

圖3.(a)各種5um厚的MXenes薄膜電導率；(b) MXenes薄膜電導率與理論值預測結果對比

總結：作者多各種化學組成和和厚度的MXenes薄膜的電磁屏蔽性能進行了系統的研究，發現含Ti的MXenes具有更佳的屏蔽效果， 在40 nm厚度的條件下，屏蔽性能能夠達到20 dB；同時，當薄膜厚度低至微米甚至納米尺度時， 建立的新理論模型可以很好預測 屏蔽性能與厚度之間的關係， 這對於優異電磁屏蔽材料的製備和MXenes材料進一步的開發和研究提供了重要指導意義。

原文連接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c01312

來源：高分子科學前沿

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