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Adv. Electron. Mater.: 鳞片状MXene/Graphite异质结构为吸波应用提供全新策略

    二维层状过渡金属碳化物纳米片(MXenes)材料由美国Drexel大学Michel BarsoumYury Gogotsi教授团队首次发现,其具有高比表面积、良好的导电性和亲水性,在储能、催化、压敏、柔性器件及功能增强复合材料等方面有广阔的应用前景。研究表明Ti3C2由于其类金属特性和高电导率,表现出十分优异的电磁屏蔽效能。然而,MXene材料作为吸波性能并不理想,这主要与该二维材料与电磁波相互作用机制和阻抗匹配能力有关。研究表明通过对吸波材料进行表面改性以及设计特殊的微结构,可以有效的诱发界面极化、多重反射吸收等电磁波损耗机制,从而显著提升材料的吸波性能。因此,对MXene开展微观结构设计是可望发展出新颖的轻量化、宽频带、高吸收的吸波材料。


Adv. Electron. Mater.: 鳞片状MXene/Graphite异质结构为吸波应用提供全新策略

    中科院宁波材料技术与工程研究所核能材料工程实验室黄庆课题组利用二维纳米材料c平面高导电的特性,设计制备了具有c平面取向相互垂直的MXene/Graphite异质结构特征的纳米吸波材料。该实验室以鳞片石墨(Graphite)为模版,利用低温熔盐合成技术,首先合成出Graphite/TiC/Ti3AlC2G/TiC/Ti3AlC2)的复合结构,随后对Ti3AlC2中的Al元素进行选择性刻蚀后,得到了Graphite/TiC/Ti3C2(G/TiC/Ti3C2)异质结结构。微结构分析表明G/TiC/Ti3C2异质结中Ti3C2纳米片 c平面均竖直生长在Graphite/TiC基底上,形成类似鱼鳞结构的纳米构筑。性能测试显示,具有鱼鳞结构的G/TiC/Ti3C2表现出较高的介电损耗和吸波能力:G/TiC/Ti3C2X波段(8-12GHz)的最低反射系数可达-63 dB,有效吸波带宽可达3.5 GHz,其吸波性能远优于单相Ti3C2MXene。研究人员发现通过简单的混合方式获得的MXene/Graphite材料均不能达到吸波增强效果。进一步分析表明由于GraphiteTiCTi3C2电子能带结构和介电性能的差异,在Graphite/TiC/Ti3C2界面处形成了大量的纳米界面异质结,阻碍了电子在复合结构中的有效迁移。在电磁波的作用下,二维材料表面激发出的电荷大量在界面异质结聚集,形成空间电荷极性区,该空间电荷极性区进而对电子迁移形成散射效应,从而显著增强了电磁波功率在该复合材料上的耗散。另外,鳞片状结构使得GraphiteMXene二维材料高导电c平面相互垂直,能够最大效率的同电磁波相互协同作用。以上工作为不仅为设计制备用于电磁吸收的MXene纳米复合材料提供了一种全新的策略,也对MXene纳米复合材料在储能、催化等领域的设计制备具有一定的启示作用。相关文章发表在Adv. Electron. Mater. (DOI:10.1002/aelm.201700617)上。




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