一篇《AFM》综述看透MXenes电磁屏蔽研究的前世今生

来源： 材料科学前沿

自2016年首次报道二维（2D）Ti3C2Tx MXene关于电磁干扰（EMI）屏蔽的研究以来，MXenes以其杰出的屏蔽性能、金属导电性、低密度、大比表面积、可调表面化学和溶液可加工性等优点，在轻质屏蔽材料中占据了领先地位。MXenes引发了材料研究界的极大兴趣，在3年内发表了100多篇关于MXenes电磁屏蔽的报道。为了进一步提高MXenes的固有电磁屏蔽性能，人们探索了许多不同结构形式的MXenes复合材料和杂化材料，如致密和层状结构、层层组装、多孔泡沫和气凝胶以及隔离结构。

韩国科学技术研究所Chong Min Koo综述了不同结构形态MXene基EMI屏蔽材料的最新进展，并对下一代屏蔽材料的发展方向和未来的挑战进行了展望。该研究成果以“2D MXenes for Electromagnetic Shielding: A Review”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。

图1. 2D MXenes在电磁屏蔽领域的结构设计及文章发表情况

图2. 入射电磁波与不同结构之间的相互作用，a）致密膜，b）层层堆积形貌，c）多孔结构和d）隔离结构。内部散射仅发生在层层组装，多孔和隔离结构中。

1. MXene层压和复合材料

图3. Ti3C2Tx MXene/海藻酸钠(SA) 薄膜的EMI屏蔽性能（Science 2016, 353, 1137）

Yury等采用真空辅助过滤的方法制备了微米厚度的Ti3C2Tx/SA多层膜。Ti3C2Tx、Mo2TiC2Tx和Mo2Ti2C3Tx的电导率分别为5000、120和300 s cm-1，其中Ti3C2Tx表现出最高的EMI屏蔽效能，研究证明电导率是屏蔽中一个关键因素。Ti3C2Tx MXene在X频段（8.2-12.4 GHz）范围内，薄膜平均厚度从1.5微米增加到45微米时EMI SE为48-92 dB，展示出优异的电磁屏蔽性能。

2. 层层结构MXene杂化材料

具有不同阻抗的两相的层层（LbL）组装会导致内部界面处的内部散射，并有助于衰减入射电磁辐射。可以使用多种溶液处理技术制备LbL结构，包括旋涂，喷涂，浸涂，溶液浇铸和界面组装。

图 4. Ti3C2Tx MXene/AgNW织物的EMI屏蔽性能（Adv. Funct. Mater. 2019, 29, 1905197）

Liu等将Ti3C2TxMXene和AgNW通过在丝绸等商业化织物上利用真空辅助LbL喷涂技术制备电磁屏蔽织物。织物纤维表现出以Ti3C2Tx为叶片、AgNW为叶脉的树叶状纳米微观结构。控制好导电物质的负载浓度及喷涂层数可以制备出兼具高导电和高透气的EMI织物，对可穿戴柔性电子具有很好的应用价值。120μm厚的屏蔽织物的EMI SE可以达到54dB。

3. 多孔MXenes：泡沫和气凝胶

航空航天，军事和移动电子应用中要求EMI屏蔽材料是轻量级的。多孔MXene泡沫和气凝胶因密度极低而非常适合应用在这些领域中。

图5. Ti3C2Tx MXene发泡薄膜的EMI屏蔽性能（Adv. Mater. 2017, 29, 1702367）

Liu等报道了首款用于轻质和柔性EMI屏蔽应用的Ti3C2TxMXene泡沫。将紧密的MXene膜浸入90°C的水合肼溶液中，水合肼溶液通过毛细作用渗透到MXene层中，并使堆叠的片材膨胀以产生低密度泡沫结构。6μm厚的膜膨胀到60μm后EMI SE从53dB增加到70dB。

图6. Ti3C2Tx MXene/rGO杂化气凝胶的EMI屏蔽性能（ACS Nano 2018, 12, 11193）

Zhao等通过定向冷冻和冷冻干燥制备Ti3C2Tx MXene/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶，以改善MXene气凝胶的尺寸稳定性。将导电的MXene片覆盖在石墨烯片壳上，得到高度致密排列的细胞结构。在MXene含量为0.74 vol％的情况下，2 mm厚的凝胶电导率为10.85 S cm-1，具有50 dB的EMI SE。

4. MXenes隔离结构

电导率高的聚合物复合材料需要的导电填料体积分数也高，这会造成生产成本高、工艺复杂的问题。隔离结构是一种多相结构，导电填料在绝缘聚合物基体内被隔离，能够以低体积分数形成导电网络。导电填料的这种相互连接的网络改善了结构的导电和机械性能，即使在低含量下也可以增强屏蔽能力。

图7.  Ti3C2Tx 包聚苯乙烯（PS）纳米复合材料的EMI屏蔽性能（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1702807）

Sun等合成了具有极低MXene含量的高导电Ti3C2Tx MXene @聚苯乙烯（PS）纳米复合材料。负电性的MXene纳米片通过静电自组装作用包覆在不同粒径大小的正电性的PS球上得到杂化材料，经过热压或冷压得到复合材料。非常低的MXene体积分数（0.26 vol%）下就可以获得导电性，当增加到1.90 vol%时，屏蔽性能可以达到60 dB。

图8. Ti3C2Tx MXene/天然橡胶（NR）的EMI屏蔽性能（Compos. Sci. Technol. 2019, 182,107754）

Luo等使用简单的真空抽滤法制备出不同MXene浓度的高度柔性和可拉伸的Ti3C2Tx MXene /天然橡胶（NR）纳米复合膜。带负电的MXene片和NR胶乳之间的静电排斥作用确保MXene片在NR颗粒之间均匀分布，从而在NR基体中形成连续互通的导电3DMXene网络。在MXene体积分数为6.7 vol%时，厚度为250μm时，EMISE可以达到53.6 dB。

【总结】

图9. MXene基屏蔽材料的EMISE关于（a）厚度、（b）密度和（c）比屏蔽效能（SSE/t）的汇总数据

表1. 不同结构的MXene基屏蔽材料的屏蔽性能

图9和表1总结了不同结构形式的MXene基屏蔽材料的EMISE及其相应的组成、厚度、密度和比屏蔽效能(SSE/t)的数据。MXene的研究还处于初期阶段，探究新型MXene及其屏蔽能力还有很大的意义。这篇综述对发展新一代的屏蔽材料具有一定的指导意义。

全文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202000883

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