Science:只有想不到,没有做不到,MXene展现地表最强电磁吸收性能
纳米人 2020-07-28

1595926332772025.png

第一作者:Aamir Iqbal

通讯作者:Chong Min Koo(韩国科学技术院)、Yury Gogotsi(德雷塞尔大学)

通讯单位:韩国科学技术院、德雷塞尔大学

 

研究亮点:

1.MXene材料电磁屏蔽性能。

2.热煅烧处理提高电磁屏蔽、机理研究。

 

研究背景

质量较轻、超薄、柔性电磁干扰屏蔽材料在保护电学线路、便携式电信设备、消除器件中各组分的串扰中有广泛应用前景。

 

MXeneYury Gogotsi等在2011年首先开发的一种二维结构材料,其具有一些优秀的性质,比如非常高的强度、导电性、分子过滤作用等。其中含TiMXene材料具有阻断和吸收电磁干扰的能力,并且性能高于目前已知的各种材料,甚至比大多数电学设备中常用的金属薄膜效果更好。

 

Yury Gogotsi评价说“这个发现是对目前电磁屏蔽材料性能的突破,其不仅仅展现了高于Cu的电磁屏蔽效果,同时其作为二维材料展现出和块体材料不同的抗电磁屏蔽能力”。

 

1595926352702127.png

1. MXene材料结构和组成

 

拟解决或者拟探索的关键问题

开发具有优异电磁屏蔽效应的MXene材料。

 

成果简介

有鉴于此,韩国科学技术院Chong Min Koo、德雷塞尔大学Yury Gogotsi报道了二维过渡金属碳化物材料Ti3CNTx MXene,具有合适的导电性,并且展现出高于相同厚度的Ti3CTx或金属薄膜材料的屏蔽能力。


1595926368874387.png

 2. MXene热煅烧处理。

 

要点1:Ti3CNTxMXene材料电磁热处理制备和表征

通过真空辅助过滤(vacuum-assisted filtration)Ti3CNTx,Ti3C2Tx分散液的方法得到不同厚度的独立的膜,随后分别在150 ℃,250 ℃,350 ℃中的Ar气氛中进行热煅烧处理。粉末衍射XRD结果显示,热处理后的材料(002)晶面对应的峰位置由5.76°分别移动到6.3°、6.76°、7.1°,对应于层间距由1.53 nm移动到1.40 nm,1.31 nm,1.24 nm。虽然更高的煅烧温度导致层间距降低,但是孔径大小和孔体积增加,这是由于材料的氧化程度增加。本征材料的导电率为1125 S cm-1,热煅烧后材料的导电性提高,并在250 ℃煅烧时达到最大导电率2375 S cm-1,同时在350 ℃中煅烧电导率反而稍有降低(1786 S cm-1)。

 

要点2:电磁屏蔽性能测试

电磁屏蔽作用。屏蔽效率SE(shielding effectiveness)测试结果显示,煅烧前的本征材料电磁屏蔽效应的SET为61 dB,在150 ℃,250 ℃,350 ℃中煅烧后,电磁屏蔽效应分别提高为77 dB,99 dB,116 dB。

 

电磁屏蔽测试优势。厚度在50~100 μm范围内屏蔽效果大于50 dB的材料能够在实际情况中应用,本工作中热处理的Ti3CNTx的电磁屏蔽性能达到116 dB,说明具有较好的应用前景。


4.png

 3. MXene材料电磁屏蔽性能。

 

5.png

 4. MXene材料电磁屏蔽性能和已有材料性能的比较。

 

要点3:电磁屏蔽机理

作者尝试计算方法对材料的屏蔽性能进行计算,并发现对未煅烧的材料而言,模拟计算和实验结果很相符,但是对于煅烧处理,模拟计算结果无法给出实验中出现的大幅度电磁屏蔽提升效果。作者认为除了导电性、多孔性对电磁屏蔽的影响,热煅烧处理过程可能导致了原子层展现出超材料结构,这种结构通过介电常数和磁导率的调控提升了材料的电磁吸收。具体的作用机制作者认为需要进一步深入研究。

 

前期工作

 

1595926409547583.png

5. 前期工作 Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)Science, 2016, 353, 1137-1140. DOI:10.1126/science.aag2421。

 

2016年,Yury Gogotsi等首次发现含TiMXene材料具有较好的电磁屏蔽性能,并提出了这种二维材料电磁屏蔽的机制。当电磁波遇到MXene材料的界面,部分电磁波发生反射(高导电性的材料中载流子浓度较高,提高了电磁波反射性能),同时MXene材料界面上的官能团产生界面偶极作用,产生一定的电磁波吸收能力。进一步的,穿透MXene材料的电磁波能量发生消耗,并再一次发生类似的反射/吸收/透过过程,在材料中产生多重内部电磁波反射现象。

 

参考文献

Aamir Iqbal, et al. Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx (MXene), Science 2020

DOI:10.1126/science.aba7977

https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446

 

作者简介

Yury Gogotsi教授,是美国德雷克塞尔大学杰出教授、纳米技术研究所所长,是世界著名材料专家、ACS Nano杂志副主编、碳素材料和陶瓷材料技术领域的国际知名学者。他所领导的研究组开创了二维层状陶瓷材料(MAXene)方面的研究,在海水淡化、电容去离子技术、储能电池、超级电容器等研究领域做出重大贡献。

网站:https://nano.materials.drexel.edu/

加载更多
233

版权声明:

1) 本文仅代表原作者观点,不代表本平台立场,请批判性阅读! 2) 本文内容若存在版权问题,请联系我们及时处理。 3) 除特别说明,本文版权归纳米人工作室所有,翻版必究!
纳米人
你好测试
copryright 2016 纳米人 ICP备16031428号

关注公众号