川大卢灿辉、周泽航《ACS Nano》：致密层状堆积策略制备具有电/热、光/热除冰功能的MXene/纳米纤维素电磁屏蔽材料

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随着电子信息技术的快速发展，电磁波辐射污染引起人们的广泛重视，迫切需要研究可为智能电子设备如便携式电子设备、智能可穿戴设备和户外设备(如通信基站、变压器等)提供安全可靠的电磁防护材料和装置，特别是力学性能优异、柔韧性良好、制备方法简易可行、兼备除冰功能的电磁屏蔽材料是解决寒冷和高原地区因电磁辐射户外电子、电力和电信设备和设施造成信号干扰和损坏、延长服役寿命的有效解决方案。

针对寒冷气候环境使用电磁屏蔽材料和装置对电磁屏蔽性能、力学强度和柔韧性以及耐用性的特殊要求，四川大学卢灿辉教授、周泽航副研究员通过多层次结构调控-表界面相互作用机制研究，实现二维过渡金属碳化物和碳氮化物（MXene）/纳米纤维素基复合材料的结构调控与高性能多功能化，取得系列研究成果（Adv. Mater. Interfaces 2021, 2002168.; Sci China Mater 2021, 64(6): 1437–1448.; ACS Nano 2020, 14, 7055-7065.; ACS Nano 2020, 14, 2788−2797.; Cellulose, 2020, 27, 7475–7488.; J. Mater. Chem. C, 2019, 7, 9820.; Adv. Mater. Interfaces 2019, 1802040.）。基于前期研究工作，研究团队提出通过喷涂辅助层层自组装策略将MXene/纳米纤维素（CNF）混合功能墨水喷涂在细菌纤维素（BC）基体上制备具有致密层状堆积形态结构的高性能电磁屏蔽与电/热、光/热除冰功能的MXene/纳米纤维素薄膜，为寒冷和高原地区户外电子、电力和电信设备和设施的电磁屏蔽提供了一种耐用的兼具电/热和光/热转换和除冰功能的多功能复合材料。

图1. TM/BC复合薄膜的制备机理展示

得益于细菌纤维素（BC）薄膜优异的力学性能和紧密层状堆积的MXene/CNF功能涂层，该复合膜表现出优异的力学强度（＞250 MPa），并展现了出色的导电性和电磁屏蔽效能。硅橡胶封装赋予了复合薄膜（Si-TM/BC）出色的疏水性，在溶剂、超声处理和机械变形的条件下表现出良好的结构与性能稳定性，甚至在洗衣机重复清洗的条件下仍然保持了完整的结构与性能。

图2.复合薄膜的（a）形貌结构、（b）力学性能、（c）结构稳定性、（d）导电性和（e、f）电磁屏蔽性能

MXene材料优异的导电性和局部表面等离子体共振(LSPR)效应使其具有出色的电/光热转化特性，在热管理领域展现了巨大应用前景。作者研究了复合薄膜电加热与光热转换性能，结果表明仅3 V的驱动电压即可在不到一分钟的时间内将复合薄膜迅速升温至80 °C以上并可长期保持恒定，中断供电以后温度又迅速降低，展现出出色的热响应速度和高效的电热转换效率；在模拟自然光下连续10次长达260 min的光照/冷却循环以后，复合薄膜的最高饱和温度可保持在90 °C，显示出了优异的光热转化特性和性能稳定性。作者测试了实际自然环境条件下Si-TM/BC复合薄膜的电-/光-热除冰研究，结果表明复合薄膜在通电和自然光照的条件下都表现了良好的热除冰性能，该高性能功能复合薄膜在精密电子仪器的电磁屏蔽保护和热处理领域具有良好的应用潜力。

图3.复合薄膜的电热、光热转化性能和热除冰性能

该研究成果以“Facile Fabrication of Densely Packed Ti₃C₂ MXene/Nanocellulose Composite Film for Enhancing Electromagnetic Interference Shielding and Electro-/Photothermal Performance” 为题发表在《ACS Nano》上。文章通讯作者是四川大学卢灿辉教授，第一作者是四川大学周泽航副研究员。

全文链接：

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c04526

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