Small｜MXene骨架中的磁相互作用效应：增强电磁干扰屏蔽的热产生

研究摘要

着通信和电子器件的繁荣与发展，电磁功能材料得到了广泛的应用。然而，高频电子设备会产生不良的电磁干扰（EMI），并释放到环境中，这不仅会导致数据/系统问题，还会增加相关工作人员的健康风险。因此，迫切需要电磁干扰屏蔽材料在减轻/消除电磁辐射污染方面发挥重要作用。MXenes是一种新的二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族（Mn+1XnTx，其中n=1、2或3，M是早期过渡金属，X代表C/n，TX代表端基），于2011年首次通过对MAX的选择性蚀刻进行报告。它们具有比表面积大、导电性好、结构稳定性高等优点，在各个领域都受到了广泛的关注。尽管其容量巨大，但致密MXene薄膜的金属性质导致入射电磁波几乎全部反射。在调节MXene和MXene基复合材料的电磁干扰反射和吸收贡献方面取得了很好的进展。为了有效减少电磁污染，传统金属材料因其易腐蚀、重量大、易受伤害等特点而被用作电磁屏蔽功能材料。与传统金属材料相比，碳基材料（石墨烯或碳纳米管）具有重量轻、柔韧性好、电性能优越、组装成宏观薄膜或结构后性能优异等优点，在电磁干扰屏蔽领域具有广阔的应用前景。将碳材料与MXene结合赋予复合材料低密度、透明度和力学性能等特性。然而，以往制造高效电磁屏蔽材料的研究主要集中在提高电导率上，而忽视了吸收效率，这会产生严重的反射和不利的二次电磁污染。因此，设计具有多种要求的下一代电磁干扰屏蔽材料是非常亟待解决的，例如优异的特征屏蔽效率、轻质、高导电性和低二次污染。

成果简介

我最爱你的一刹那给你打电话你没接，等你看到来电提醒再打回来的时候很可能我就不爱你了。——暖小团

近日，复旦大学车仁超教授团队基于导电Ti₃C₂T_x-MXene，通过简单的过滤方法制备了新型电磁干扰屏蔽材料Ti₃C₂T_x -MXene/MWCNTs/ SrFe₁₂O₁₉。将具有本征磁损耗和各向异性的二维六方SrFe₁₂O₁₉薄片引入Ti3C2Tx-MXene/MWCNT衬底中，以提高能量吸收。一维多壁碳纳米管（MWCNTs）起到隔离作用，隔离Ti₃C₂T_x MXene片，从而使SrFe₁₂O₁₉片可以预先均匀分布，而不会产生磁团聚。通过使用Ti₃C₂T_x-MXene薄片、一维多壁碳纳米管和六方SrFe₁₂O₁₉薄片，Ti₃C₂T_x-MXene/MWCNTs/SrFe₁₂O₁₉薄膜（MCSF）在厚度仅为40μm时具有高达438 S cm的高电导率，优化后的平均电磁屏蔽效率为62.9 dB。利用薄膜的界面极化和磁响应能力，引入SrFe₁₂O₁₉可以提高吸收能力和整体屏蔽能力，从而在不增加反射的情况下提高EMI屏蔽能力。更重要的是，电子全息术图像有力地验证了六方SrFe₁₂O₁₉薄片中的磁耗散机制，发现其与磁耦合和畴壁迁移相关。该策略将为制造柔性EMI屏蔽膜铺平道路，以满足当前的市场需求。

该成果在线发表于国际顶级期刊 Small (影响因子13.281) 上，题目为：Magnetic Interacted Interaction Effect in MXene Skeleton: Enhanced Thermal-Generation for Electromagnetic Interference Shielding。

黄梦秋为本文第一作者。

图文导读

图1. Ti₃C₂T_x-MXene/MWCNTs/SrFe₁₂O₁₉薄膜的制备工艺示意图。

图2. 结构表征。a，d）MCF-1，b，e）MSF-1和c，f）MCSF-10的横截面SEM图像显示六角SrFe₁₂O₁₉板和多壁碳纳米管插入Ti₃C₂T_x层。g） 元素映射和h）MCSF的照片，显示层压膜的柔韧性和磁性。

图3. 电磁屏蔽性能。a-c）EMI SE，SET、SEA和SER的比较，以及相同厚度为40µm的MF-2、MSF-2、MCF-2、MCSF-10的电导率。d，i）EMI SE，e）电导率，f）图像，h）MCSF-5、MCSF-10、MCSF-15、MCSF-20、MCSF-25、MCSF-30的SET、SEA和SER的比较。j） 比较作为厚度函数的特征EMI屏蔽效能。

图4. 电磁干扰屏蔽机理分析。a-c）复介电常数的实部ε′，b）虚部ε〃，c）MCSF-5、MCSF-10、MCSF-15、MCSF-20、MCSF-25、MCSF-30的介电损耗角正切tanδe。d） Ti3C2Tx-MXene/MWCNTs/SrFe12O19薄膜的相关电磁机制。e） MCSF-10复合材料的重构相图像和相应的电荷密度分布线轮廓以及f，g）重构的杂散磁场分布。

总结

本文通过简单的真空过滤方法制备了具有层状结构的超薄柔性Ti₃C₂Tx-MXene/MWCNTs/SrFe₁₂O₁₉薄膜，并将其用作新型电磁干扰屏蔽材料。在厚度仅为40µm时，复合材料在X波段具有优异的导电性（438 S cm⁻¹）和平均电磁屏蔽效率值（62.9 dB）。磁性各向异性薄片SrFe₁₂O₁₉的插入导致磁化的MXene基薄膜的吸收效率有效增强。通过前所未有的磁耗散吸收机制，同时增大了总屏蔽效率。六方SrFe₁₂O₁₉片可以通过畴壁迁移、铁磁共振和磁耦合空间的扩展有效地将电磁波能量转换为热能。同时，分层结构还产生了优异的EMI屏蔽效能，为MXene-MXene，MXene-MWCNTs和MXene-SrFe₁₂O₁₉提供了大量反射和介电界面耗散。离轴电子全息术证实了磁主导吸收机制。合成的MXene/MWCNTs/SrFe₁₂O₁₉薄膜在微波能量转换和EMI屏蔽方面具有巨大的应用潜力。

文献链接

https://doi.org/10.1002/smll.202201587

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