“MXenes之父”最新《ACS Nano》：MXenes电磁屏蔽性能与结构关系大揭秘

  MXenes指的是二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物，是由 美国德雷塞尔大学 Yury Gogotsi 教授课题组 在2011年发现的一种新型二维结构材料。其 化学通式可用M n+1 X n T z 表示 ，其中M指过渡族金属(如Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Cr、Sc等)，X指C或/和N，n一般为1-3，Tz指表面基团(如O、OH、F、NH34等)。目前，MXenes主要是通过HF酸或盐酸和氟化物的混合溶液将MAX相中结合较弱的A位元素(如Al原子)抽出而得到， 具备组分灵活可调，最小纳米层厚可控以及在水或有机溶剂中能够稳定地分散等优势，同时具有石墨烯高比表面积和高电导率 (MXenes电导率可高达14000 S cm1)，因此MXenes在 电磁屏蔽 邻域显示出了巨大的应用潜力。目前大多数的研究中主要使用的是Ti3C2Tx型MXenes，而MXenes的种类非常之多， 了解清楚MXenes电磁屏蔽性能与MXenes的化学组成、物理结构之间的关系对于MXenes材料进一步的发展和研究具备极其重大的意义 。

  近日， MXenes之父 Gogotsi教授 课题组在《 ACS Nano》上发表了题为“ Beyond Ti3 C2 Tx : MXenes for Electromagnetic Interference Shielding”的研究工作，在该研究工作中作者对16种不同化学元素组成和不同薄膜厚度的MXenes进行了电磁屏蔽性能研究和对比，结果显示 除了Ti3 C2 Tx 之外，很多别的类型的MXenes在超薄状态时也呈现出非常优异的电磁屏蔽性能；同时，作者还发现当 由二维材料组装制备的薄膜处于很薄的状态时，计算薄膜厚度与电池屏蔽性能的西蒙公式不再适用；为了建立一个通用的模型来评估MXene薄膜在从纳米到微米的大厚度范围内的电磁屏蔽性能， 作者采用 传输矩阵法 进行了模拟，发现高电导率的MXene薄膜的电磁屏蔽性能很符合这一模型的预测，而当MXenes薄膜电导率很低时，其电磁屏蔽数值高于理论模型预测值，这说明在 含大量极性表面官能团的低电导率二维材料中，电导率并不是影响电磁屏蔽性能的唯一因素，强极化作用以及伴随的弛豫损耗，同样有助于电磁波的吸收。

  作者首先对比了厚度均为5 um、不同元素和比例组成的MXenes膜在X波段(8.212.4 GHz)的电磁屏蔽性能，结果如图1所示。Mn+1XnTz中M为Ti的MXenes具有最佳的屏蔽性能，在X波段的平均屏蔽性能最大能达到55dB (Ti3C2Tx)。不过其它种类的MXenes也显示出较好的屏蔽性能， 除了Nb2 CTx 、Mo2 TiC2 Tx 和Nb1.6 V0.4 CTx 这三种MXenes，其它12种在 5 um的厚度下的屏蔽性能均超过了20 dB ，这在某种程度上预示着99%的电磁波均能被屏蔽掉。

  图2.(a)~(c)为不同化学结构的MXenes薄膜(5 um)在X波段电磁屏蔽性能；(d)各种MXenes薄膜在X波段的平均吸收效能(SET)以及反射损耗(SER)和吸收损耗(SEA)的占比

  电磁屏蔽性能对材料的厚度具有很强的依赖性，但是 当 材料厚度低于电磁波的趋肤深度后 ，传统的西蒙公式(屏蔽性能与材料厚度成线性关系) 不能再用于描述材料厚度与屏蔽性能之间的关系。作者采用 传输矩阵法进行了模拟，绘制了低厚度薄膜材料电磁屏蔽与厚度的关系曲线(a)是西蒙公式与该模拟曲线的差异]，发现 研究的16种MXenes在各种厚度( 从纳米到微米 )的测试结果很符合这一模拟结果，图2(b)和(c)分别是MXenes膜处以纳米级厚度和微米级厚度下电磁屏蔽性能测试和模拟结果对比，图中灰色曲线为模拟的结果。

  图2.(a)西蒙公式与该模拟曲线的差异；(b)纳米级MXenes薄膜屏蔽性能与厚度之间的关系的实验结果和理论模拟结果对比；(c)微米级MXenes薄膜屏蔽性能与厚度之间的关系的实验结果和理论模拟结果对比

  高电导性是电磁屏蔽材料具备优异屏蔽性能最重要的原因，作者对这16种MXenes膜(5 um)的电导率来测试，并与屏蔽性能(10 GHz)进行了分析和拟合，发现 高电导率MXenes屏蔽性能与模拟结果几乎完全重合，而低电导率MXenes屏蔽性能高于模拟结果(图3)，分界线。出现这一结果的原因是由于 高导电MXenes材料片层之间大量的充斥着大量的自由电子，主导着电磁屏蔽，而很少有介电极化损耗；而 低电导率的MXenes片层之间含有大量的 极性基团 ，产生大量的 弛豫损耗 有助于电磁波的吸收。

  图3.(a)各种5um厚的MXenes薄膜电导率；(b) MXenes薄膜电导率与理论值预测结果对比

  总结：作者多各种化学组成和和厚度的MXenes薄膜的电磁屏蔽性能进行了系统的研究，发现含Ti的MXenes具有更佳的屏蔽效果， 在40 nm厚度的条件下，屏蔽性能能达到20 dB；同时，当薄膜厚度低至微米甚至纳米尺度时， 建立的新理论模型可以很好预测 屏蔽性能与厚度之间的关系， 这对于优异电磁屏蔽材料的制备和MXenes材料进一步的开发和研究提供了重要指导意义。

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