分子插层实现MXene红外发射率大范围无级调控

论文信息：

Keqiao Li, Chongjia Lin, Gongze Liu, Guang Wang, Wei Ma, Meng Li, Yang Li, Baoling Huang, Stepless IR Chromism in Ti3C2Tx MXene Tuned by Interlayer Water Molecules, Advanved Materials, 2308189 2023.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202308189

研究背景

热辐射的调控在热管理、能量转换、红外成像和信息加密等领域至关重要。例如，通过增大 / 减小建筑物和人体等物体与环境之间的辐射热交换，可实现被动辐射冷却 / 加热。然而，大多数自然材料或人工材料的光谱特性是固定的，缺乏环境适应性。适者生存是自然界最基本的法则，很多动物，例如陆上雄性变色龙和海生头足类动物，均可通过变色来适应环境以规避危险。实际应用场景中，物体的环境或背景往往处于动态变化，为了应对这种复杂多变的环境，基于红外发射率调控的自适应热辐射调控技术应运而生，例如自适应辐射冷却 / 加热和自适应伪装。实时自适应热辐射调控技术要求目标物体表面的红外发射率以无级连续的方式在大范围内（ >50% ）快速、可逆地变化，这目前仍然是一个学术界的一大挑战。

研究内容

近期，香港科技大学黄宝陵教授和浙江大学百人计划研究员李洋（共同通讯）在国际权威期刊Advanced Materials上发表了题为“Stepless IR Chromism in Ti3C2TxMXene Tuned by Interlayer Water Molecules”的文章，首次报道了二维Ti3C2TxMXene材料中的红外发射率调控现象。第一作者为香港科技大学博士后研究员李柯桥。通过Ti3C2Tx层间水分子的脱附/吸附，使其红外发射率在12%到68%之间动态调节。水分子的插层改变了Ti3C2Tx在红外频段下的电子性质和复介电常数，根据Drude模型和菲涅耳方程，红外发射率的计算结果与实验结果基本吻合。这种发射率调控是一个无级、可逆的过程，无需任何外部能量的输入。此外，将纤维素纳米纤维插入Ti3C2Tx层间后，显著改善了该动态调控策略的循环性能。最后，作者展示了一种汗液响应的自适应纺织品，可以在代谢率和环境温度变化时保证人体的热舒适性，显示了这种机制在动态被动辐射调控中的巨大潜力。

. ( a ) ，( b ) ， ) 。

图2. Ti3C2Tx薄膜中无级、可逆的红外发射率调制。a）湿润Ti3C2Tx薄膜的实时红外辐射测量示意图。b）湿润Ti3C2Tx薄膜在脱水过程中的红外图像序列。c）水吸收量减少时Ti3C2Tx薄膜的红外发射率光谱。d）水脱附和吸附过程中，不同水吸收量下的Ti3C2Tx薄膜的平均红外发射率。e）乙酸、乙醇、异丙醇和水对Ti3C2Tx红外发射率的调控。f）从湿润状态到干燥状态时，Ti3C2Tx薄膜的XRD图谱。g）湿润状态下和h）干燥状态下Ti3C2Tx薄膜中O 1s的XPS光谱。

图3. Ti3C2Tx薄膜在不同吸水量时的迁移率、载流子密度、导出的复介电常数和红外反射率。a、b）不同吸水量下，Ti3C2Tx薄膜的载流子密度和迁移率。c、d）面内介电常数的实部和虚部的计算值。e）根据Drude模型，具有不同吸水量的Ti3C2Tx薄膜的反射率计算值。

图4. Ti3C2Tx薄膜的结构和循环性能改进。a）干燥的Ti3C2Tx薄膜中强氢键的示意图。b）自适应纺织品的制备过程。c）Ti3C2Tx/CNF复合材料的横截面SEM图像。比例尺为100 nm。d）Ti3C2Tx的质量分数从40%变化到70%时，Ti3C2Tx/CNF薄膜在干燥和湿润状态下的红外发射率，及其调制范围。e）循环测试中，自适应纺织品在湿润和干燥状态下的红外发射率光谱。f）自适应纺织品的循环性能。g）自适应纺织品和其他纺织品从干燥到湿润状态的平均发射率对比。

图5. 自适应纺织品的热调节能力展示。a）具有动态个人热管理功能的自适应纺织品的示意图。b）热测试装置的示意图。c）相同代谢率下，自适应纺织品、棉布和mylar毯从干燥状态到湿润状态时皮肤温度的变化。d）在干燥和湿润状态下，自适应纺织品维持模拟皮肤温度在33°C时的代谢率。e）在恒定代谢率下，环境温度变化时，自适应纺织品、棉布和mylar毯的皮肤温度变化。f）覆盖涤纶T恤的皮肤温度为33°C的自制人体模型。蓝色虚线框内为热压上的自适应纺织品。g）自适应纺织品和涤纶纺织品（橙色虚线框）在干燥状态下和h）湿润状态下的红外图像。

研究亮点

1. 通过二维 Ti 3 C 2 T x MXene 材料层间的水分子的脱附 / 吸附，改变了 Ti 3 C 2 T x 在红外波段下的电子性质和复介电常数，实现了大范围（ 53% ）、无极和可逆的红外发射率调控。通过加入纤维素纳米纤维 , 调控过程的可重复性显著改善。

2. 样品制备、加工和调制策略简单，且可通过溶液法批量加工。

3. 代表应用是汗液控制的人体热辐射管理织物，可助力人体实现动态个人热管理。 当身体干燥和寒冷时，纺织品的红外发射率仅约为 30% ，抑制人体向周围环境的辐射散热，实现保温御寒； 当身体排汗和炎热时，发射率可以增加到约 80% ，通过增强辐射散热实现个人降温。 该自适应和被动调节过程对炎热 / 出汗程度敏感，无需任何能量消耗和外部设备。 除了在个人热管理中的应用，这种策略还可以在其他需要自适应红外发射率调节的场景中带来巨大机会，如红外伪装和防伪。

热辐射与微纳光子学

Founded by

吴小虎

山东高等技术研究院教授

个人主页：www.xiaohuwu.com

微信：wuxiaohu_1992