香港科大黄宝陵教授和赵天寿院士Adv. Mater.: 二维Ti3C2TxMXene：可见光显黑但红外显白的本征材料

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自然界中，金属材料以外的绝大多数的材料都有很高的红外发射率，如木头，水，泥土，石头，多数塑料，布料和人体等的红外发射率都在0.9以上。常见的黑色材料如石墨，炭黑等也都有着很高的发射率。黑色的低红外发射材料（红外显白）在自然界的本征材料中很少见，但是在很多领域都有着极大的需求，如光热转换、多频谱隐身、隔热、和信息防伪加密等。由于本征材料缺乏理想的光谱选择性，目前这种高选择性吸收/发射特性通常利用高精尖的纳米技术在硬质光滑基底构建复杂的亚波长超材料来实现，其工艺复杂且在柔性表面以及多孔介质表面如织物等方面难以直接应用。

近期，香港科技大学黄宝陵教授团队联合同校赵天寿院士团队在国际权威期刊Advanced Materials》上发表了题为“2D Ti₃C₂T_x MXenes：Visible Black but Infrared White Materials”的文章（DOI：10.1002/adma.202103054）。该工作报道了二维Ti₃C₂T_x MXene具有本征低红外发射率的特性，并从实验和理论两方面进行了充分的论证。二维Ti₃C₂T_x MXene自支撑膜在可见光，近红外，和微波波段有很强的吸收特性，但在中红外（2.5-20 微米）波段表现出高达90%的反射特性（图1）。根据基尔霍夫热辐射定律，二维Ti₃C₂T_x MXene的红外发射率10%左右，与抛光的不锈钢片相近，是迄今为止已知的具有最高太阳能光谱吸收选择性的本征材料。在一个太阳辐照下，暴露在空气中的MXene膜相对于环境的温升高达62°C，这是由于低红外发射率抑制了辐射热损失。相比之下，发射率高达0.93的CNT膜在一个太阳辐照下的温升仅为50°C（图1）。作者还揭示了这种低发射率特性与MXene纳米片的堆叠方式相关（图2）。通过第一性原理计算，作者不仅证实了MXene材料的低发射率，还有很多更有意思的发现（图4）。MXene材料的低发射率和纳米片的取向和末端官能团相关，具备相当高的可调节性。具体来说，当纳米片与衬底平行排列，且末端有-OH和-F官能团时，薄膜的发射率更低。作者演示了这种低发射率、柔性的黑色本征材料在多孔基底光热转换、多频谱隐身和防伪加密上的巨大潜力（图3）。通过第一性原理计算，作者发现其他MXene材料也可能具备高度光谱选择性，从而开启了对包含70多个成员的MXene家族的光谱选择特性及其应用进行探索的新方向。


图1 抛光金属、碳材料和MXene的光学特性。（a, c）抛光不锈钢片的高太阳谱反射和高红外反射特性；（b, d）CNT膜的高太阳谱吸收和高红外吸收特性；（e, f）MXene膜的高太阳吸收和低红外谱吸收特性；（g）一个太阳辐照下，MXene膜和CNT膜的温升曲线；（h）常见本征材料的太阳能吸收率和红外发射率对比；（i）红外成像仪下，同为100°C的抛光不锈钢片，CNT膜和MXene膜的图像对比。 

图2 MXene膜的微观表征与光学特性。（a）MXene膜的横截面；（b）MXene膜的照片及XRD曲线；（c）MXene膜上、下两面的吸收/发射光谱曲线；（d）MXene膜上、下两面的红外图像对比；（e）MXene膜上、下两面的表面微结构对比；（f）MXene膜吸收/发射光谱曲线随厚度的变化。

 

图3 低发射率黑色MXene材料的潜在应用。（a-b）基于多孔基底的光热转换应用，在多孔尼龙基底上，MXene膜维持了很高的光谱选择性，而超材料失去了其选择性；（c-d）多频段隐身应用，MXene涂层实现了在红外和可见光波段的双波段隐身；（e-g）红外防伪涂层应用，MXene墨水和普通的黑色墨水搭配，实现了肉眼不可分辨，但红外可分辨的防伪效果。

 

图4 第一性原理计算。（a）MXene的分子结构示意图；（b-c）带有不同末端官能团的Ti₃C₂ MXene 的介电常数的的实部和虚部；（d）带有不同末端官能团的Ti₃C₂ MXene 的吸收/发射光谱曲线；（e-f）Ti₃C₂和Ti₃C₂(OH)₂ MXene 在x, y, z方向上介电常数的实部和虚部；（g）Ti₃C₂ 和Ti₃C₂(OH)₂ MXene 在x, y, z方向上的吸收/发射光谱曲线；（h）除Ti₃C₂ MXene外，其他如Ti₂C，Nb₂C，和V₂C MXene的吸收/发射光谱曲线。

本文第一作者为香港科技大学博士后研究员李洋，共同第一作者为香港科技大学熊诚博士，黄河博士。

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https://doi.org/10.1002/adma.202103054

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