北化大于中振/张好斌团队ACS AMI： 轻质、超弹性多功能MXene/CNT气凝胶用于高效电磁屏蔽

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随着电子信息技术的迅速发展和物联网的大力建设，电磁污染和电磁干扰（EMI）也愈发严重。电磁屏蔽技术在控制或减轻电磁辐射污染方面起着至关重要的作用，而高性能电磁屏蔽材料是实现电磁屏蔽的关键。在航空航天、便携式和可穿戴智能电子设备领域中，迫切需要高性能、轻质、高导电性和超弹性，甚至耐极端环境的电磁屏蔽材料，但是它们的研究开发仍然面临艰巨挑战。二维过渡金属碳/氮化物（MXene）的纳米片层结构、出众的电学性质、极性的表面性质使其在制备高效的电磁屏蔽材料方面展现出极大的潜力和竞争力。但由于MXene表面的官能团种类、片层大小以及较弱的纳米片层间作用力的限制，难以制备得到兼具高弹性和高导电性的轻质可压缩三维结构。

北京化工大学于中振教授、张好斌教授团队展示了一种有效的方法来提高MXene基气凝胶的弹性，同时保持其高导电性和低密度特性。基于MXene纳米片与酸化碳纳米管（aCNT）的协同作用，通过定向冷冻和后续冷冻干燥构建了具有类爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向异性气凝胶。MXene纳米片构建了各向异性多孔骨架，而aCNTs像爬山虎一样牢牢地抓住MXene纳米片形成的孔壁，不仅提升了MXene基气凝胶的强度，还实现了气凝胶的超轻性和超弹性。同时，高导电骨架、多孔结构以及MXene和aCNT上丰富的可极化中心赋予了气凝胶极高的电磁屏蔽性能。此外，定向多孔的全无机骨架不仅使得MXene/aCNT各向异性气凝胶具有良好的隔热性能，还可以经受极端温度（-196~300℃）环境而不会发生脆断或融化，仍然保持很好的压缩回弹性。这些特性使该气凝胶有望应用于热敏感电子器件的隔热、缓震、电磁干扰防护等领域。

本文亮点

1. 受爬山虎植物的启发构建了一维酸化碳纳米管/二维MXene纳米片协同增强的轻质、高导电、超弹性的各向异性MXene/酸化碳纳米管气凝胶（MCA）；

2. 解决了MXene气凝胶在超低密度下难以兼具高弹性和高导电的问题，添加5 wt %酸化碳纳米管的MCA便可以实现超弹性、塑性形变小、抗疲劳压缩性能好等优点，其密度可以低至9.1 mg cm⁻³，电导率为447.2 S m^-1,与石蜡复合后其在X波段的EMI屏蔽性能超过51 dB。而当MCA密度增至18.2 mg cm⁻³时，电磁屏蔽性能平均可达90 dB。

3. 更有意义的是，与商业隔热泡沫相比，MCA具有更好的保温能力，而且能够耐受在300 ℃高温和液氮（-196 ℃）超低温环境，仍保持良好的弹性。

图1 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)合成流程图及(d-g)其多功能展示。

图2 MXene/酸化碳纳米管(a-b)基元及其气凝胶的(d-g)形貌和(h-i)结构性质表征。

图3 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)首次压缩回弹测试分析和(d-f)抗压缩疲劳测试及(g)弹性机理。

图4 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a, b)电学性能、(c-e)电磁屏蔽性能和(f)屏蔽机理。

图5 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)隔热性能以及其在(d)高温和(e)超低温环境下的压缩回弹性能展示。

相关成果以“Superelastic, ultralight, and conductive Ti3C2Tx MXene/acidified carbon nanotube anisotropic aerogels for electromagnetic interference shielding”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（10.1021/acsami.1c02059）。论文的第一作者为博士生邓志明，通讯作者为张好斌教授和于中振教授。该论文得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c02059

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