复旦大学车仁超团队：具有优异吸波性能的自组装磁化MXene材料

一、研究背景：
随着先进武器装备的发展，一些大型武器如飞机、导弹等面临在战场上被雷达发现即刻摧毁的危险，因此提高武器装备在战场的生存能力是十分必要的。面对雷达电磁波的侦查，吸波材料应运而生。吸波材料最早应用于军事领域，并逐渐在民用领域开始得到应用，如抗辐射手机壳，抗电磁干扰材料等。目前对吸波材料的要求日益提高， 理想电磁波吸收材料应具有厚度薄、质量轻、吸波频带宽、吸波效能强的特点。MXene材料作为一种新兴的二维材料因其优良的电、光、磁、电化学性能和较大的表面积、较好的亲水性、吸收能力、表面活性受到广泛关注，在吸波材料领域同样发挥着重要作用。可是单一的MXene材料由于其较大的介电常数，导致材料阻抗匹配较差，只有介电损耗发挥作用，通常反射损耗只有–11 dB，难以达到应用要求，研究人员们通常将其与磁性组分复合，实现介电损耗与磁损耗的协同作用大幅度提升吸波性能，但与此同时，磁性组分易团聚和MXene片层自堆积问题一直困扰着研究者们。

二、研究成果

复旦大学车仁超课题组报道了通过多层MXene和Ni(OH) 2纳米片间自组装作用随后采用原位还原制备的手风琴形状MXene/Ni复合材料，Ni纳米粒子没有发生磁性团聚，均匀分布在MXene的片层之间，并实现优异的吸波性能，在5.5 GHz处最低反射损耗达到–50.5 dB，此外，首次使用电子全息术分析了该磁化MXene吸波材料的动态磁响应，通过调节MXene和Ni的含量比，可以调控材料的有效吸收带宽，最大吸收带宽达到5.28 GHz，这项工作为强吸收、可调控电磁性能、宽吸收频带的MXene基吸波复合材料提供了新思路。相关工作以“Self-assembly magnetized MXene avoid dual-agglomeration with enhanced interfaces for Strong Microwave Absorption through Tunable Electromagnetic Property”为题发表在著名期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上

三、图文速递图1 （a）MXene/Ni复合材料制备示意图 (b) Zeta电位测试 这种MXene/Ni复合材料的制备方法是：首先采用氢氟酸刻蚀的方法得到多层MXene，溶剂热法合成Ni(OH) 2纳米片（分散在PDDA聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中），然后将两者混合，再在H 2/Ar气氛下450 ℃高温还原得到MXene/Ni复合材料。图2 相关结构与形貌表征 通过XRD、SEM、TEM的表征可以证明MXene与Ni(OH)2的成功制备，经高温还原后Ni纳米粒子（大约20 nm）均匀分布在MXene片层间，通过静电自组装作用和碳化处理，MXene与Ni已经紧密结合在一起，由于晶格不匹配原因在界面处产生了应力。 图3 吸波性能测试图 研究人员对该材料进行了吸波性能测试，主要衡量指标为反射损耗RL值以及有效吸收带宽（RL ≤ –10 dB），MXene与Ni的质量比为30时，实现最低反射损耗值–50.5 dB，随着厚度增加，最强吸收峰向低频方向移动，并且通过调节MXene与Ni的质量比，可以调控反射损耗RL值，当MXene与Ni的质量比为50时，实现最宽吸收频带5.28 GHz。该复合材料优异的吸波性能和宽吸收频带具有独特优势，研究人员随后对电磁波吸收机理进行了分析，提出以下几点：（1） 设计的新型结构阻止了磁性粒子Ni的团聚以及MXene的自堆积。首次使用非磁性Ni(OH) 2与MXene通过静电自组装复合起来，有效避免了磁性粒子Ni在复合过程中的团聚，接下来的高温还原过程使得Ni在MXene片层间均匀分散， 有效增强了磁损耗作用。此外，MXene被刻蚀成手风琴形状，Ni分布在层间间隙中，有效避免了再次堆积，因此入射电磁波在MXene/Ni材料中得到有效衰减。（2） 极化作用的增强。Ni纳米粒子分布在MXene的层间和表面，产生无数界面，偶极极化与界面极化作用增强了电磁波吸收，文中首次采用电子全息术进行了证明。（3） 磁损耗的增强。单一的MXene只有介电损耗作用，并且阻抗匹配差，以至于吸波性能不佳，与磁性Ni纳米粒子复合后可以发挥介电损耗与磁损耗的协同作用，显著提升吸波性能。 图4 电磁波吸收机理示意图

四、研究小结

通过静电自组装作用制备出了手风琴状MXene/Ni复合材料，设计的独特结构有效避免了Ni纳米粒子的团聚以及MXene的自堆积，显著改善了电磁波吸收性能，该磁化MXene材料在频率为5.5 GHz处实现最低反射损耗–50.5 dB，通过调节MXene与Ni的质量比可以调控电磁波吸收宽带，该材料最优吸收带宽为5.28 GHz，突出的电磁波吸收性能归因于设计的新型结构，两元组分间的多重界面产生界面极化与偶极极化作用以及介电损耗与磁损耗的协同作用。将磁性物质附着在MXene基体上是一种提升电磁波吸收性能和拓宽吸收频带的简便有效的方法，这种新型MXene/Ni复合材料为其他MXene吸波材料的制备提供了思路。 全文链接： https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11861

编译：李飞

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来源：高分子科学前沿

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