Nano-Micro Letters研究背景
随着高科技产业的不断发展，由不利电磁波(EMWs)或辐射引起的电磁干扰(EMI)及相关的并发症变得越来越严重。电磁干扰不仅会对设备产生不利影响，干扰其正常使用，污染环境，并危害人类健康。发展EMI屏蔽材料对下一代电子产品、通信技术、物联网和航空航天技术的发展具有重要意义。虽然传统金属材料具有高导电性，但其固有的高密度、耐腐蚀性差、加工能力要求高，严重限制了其在高度集成的现代移动电子领域的应用。因此，含有各种填料的复合材料，包括碳基填料，磁性填料和介电填料等已经在EMI屏蔽领域作为金属的替代品。虽然这些复合材料重量轻，具有抗腐蚀性能，但其有限的屏蔽能力和复杂的加工能力限制了它的广泛应用。具有独特的二维层状结构、丰富表面官能团、高导率、大比表面积、表面亲水性和力学稳定性的MXene可以解决上述问题。通过总结MXene基EMI屏蔽材料宏观结构的组装研究进展，希望为开发具有合理、高性能MXene基EMI屏蔽材料的宏观结构提供指导，促进新兴MXene纳米材料的高效利用。
图1. MXene基电磁屏蔽材料的宏观结构及分类
Yue Liu＃, Yadi Wang＃, Na Wu*, Mingrui Han, Wei Liu, Jiurong Liu *, Zhihui Zeng*
本文亮点
1. 回顾了基于MXene 的电磁屏蔽材料发展和EMI 屏蔽机制。
2. 重点介绍并讨论了基于MXene 的EMI 屏蔽材料的各种结构设计策略。
3. 概述了 MXene 在电磁屏蔽方面当前的挑战和未来方向。
内容简介
在这项工作中，山大电磁功能材料团队综述了基于MXene的EMI屏蔽材料不同结构的研究进展及相关成果，包括多孔结构，如泡沫、气凝胶和水凝胶；层压和复合结构、逐层结构和织物结构薄膜和具有分离结构的复合材料。同时，基于MXene基EMI屏蔽材料的固有性能，总结了多种结构设计策略，强调了相关的结构-性能关系。最后，讨论了基于MXene的EMI屏蔽材料发展所面临的挑战和未来发展前景及发展方向，为开发不同结构的MXene基EMI屏蔽材料提供参考。
图文导读
I MXene基多孔材料
Yang等人使用冰模板冷冻盐析法制备了MXene/聚乙烯醇(PVA)仿生水凝胶(图2)。除了高导率、机械强度和超快性外，多孔结构还表现出蜂窝结构。当MXene含量仅为0.86 vol%时，薄的MXene/PVA水凝胶的EMI SE在x波段达到57 dB。其优异的EMI屏蔽性能可以归因于MXene、PVA、水和仿生多孔结构之间的协同作用。MXene纳米片提供了充足的移动载流子，增加了水凝胶的电导率，导致入射电磁的显著反射损失。另一方面，多孔结构扩展了电磁波的传播路径，确保了它们与细胞壁之间广泛的相互作用，实现了有效的电磁波消耗。最后，水分子在电磁波下的极化弛豫和氢键网络的变化消耗了电磁波能量。此外，在电磁波的作用下，PVA与MXene纳米片表面官能团的界面上形成了一个强偶极子，增强了水凝胶的EMWs损耗能力。
图2 a显示MXene/PVA 水凝胶生成的图形描述；b X频段EMI SE和 c SER、SEA和SET；d 不同MXene含量的水凝胶的功率参数；e EMI SE 和f SER、SEA和SET，适用于不同固体含量的0.86 vol% MXene/PVA水凝胶；g样品厚度在0.86 vol% MXene/PVA水凝胶的EMI SE中的作用。
II MXene薄膜
Li等人利用氧化石墨烯(GO)、CNF、MXene制备了大面积、高强度、超柔性的C-CMG杂化薄膜，以促进MXene薄片与纤维素的物理和化学交联(图3)。MXene基薄膜的疏水性、耐水/溶剂性和氧化稳定性显著增强。获得了良好的电导率和EMI屏蔽性能。在超宽带频率范围内，x波段SSE/t为18837.5 dB cm2 g⁻1，EMI SE超过60 dB，这相当于迄今为止报道的最佳性能。此外，还证明了复合膜的光热、抗菌和电热除冰能力。因此，这种使用简单且可扩展的制造方法制备的高性能MXene基薄膜在柔性电子学，热疗，电磁兼容性和航空航天工业中提供了重要的应用可能性。
图3. a示意性地显示了C-CMG薄膜的生产过程；b C-CMG薄膜的横截面SEM图；c 显示超灵活性的C-CMG薄膜图；d 具有不同MXene含量的C-CMG薄膜的电导率；C-CMG薄膜的EMI屏蔽性能：e 纤维素、CM、CMG、C-CMG 和纤维素@GO 薄膜；f 含有MXene的C-CMG薄膜X波段的EMI SE；g 10 GHz 下的 EMI 屏蔽性能(SET、SEA和SER)以及具有不同MXene含量的C-CMG薄膜的SSE；h 30 μm厚的C-CMG薄膜的EMI SE值；i 在各种溶剂中浸泡7天后薄膜的X波段EMI SE。
III 具有分离结构的 MXene 基材料
Zhang等人通过将带正电荷的MXene纳米片静电组装在带正电荷的聚苯乙烯微球上，然后进行压缩成型(图4)，制备了一种高导电性的MXene@聚苯乙烯(PS)纳米复合材料。由于MXene的高导电率和连续高效的导电网络形成PS矩阵，获得的纳米材料不仅表现出达0.26 vol%的低渗流阈值和高至1081 S m⁻1的电导率，同时在x波段EMI SE>54 dB。在1.90 vol%的低MXene载荷下，2mm厚的纳米复合材料的EMI屏蔽性能为62 dB。通过调整PS直径，可以控制MXene@PS纳米复合材料的电导率；在相同的负载下，MXene纳米片有利于在大微球表面组装，形成更连续的网络，也有利于负载传递，提高电导率和弹性模量。最终，在六方PS衬底界面上形成连续的三维导电网络，促进电磁场的耗散。
图4.a 示意性地描述了 Ti₃C₂Tₓ@P纳米复合材料的生成；b、c环境温度下制备的Ti₃C₂Tₓ@PS-570混合物横截面的SEM图；d、e含有1.90 vol% Ti₃C₂Tₓ的Ti₃C₂Tₓ@PS-570纳米复合材料的TEM图；深灰色线和白色箭头表示导电路径。=Ti₃C₂Tₓ@PS-570纳米复合材料的f 电导率、g EMI SE和h SET、SEA和SER。
作者简介
刘久荣长期从事电磁仿真技术、电磁功能材料设计和研制、电磁性能测试分析等相关研究；包括：吸波和屏蔽材料、气敏材料以及电化学储能材料。
山东大学“齐鲁青年学者”特聘教授、博士生导师。大阪大学博士毕业，美国加州大学洛杉矶分校博士后。长期从事电磁仿真技术、电磁功能材料设计以及电磁性能测试分析等相关研究。主要研究领域包括：电磁波吸收材料、气敏传感器、电化学储能材料。2011年入选教育部新世纪优秀人才计划，2013年获得山东省自然科学杰出青年基金，先后承担国家自然科学基金等国家和省部级科研项目50余项。在《Matter》《J. Am. Chem. Soc.》《Appl. Phys. Lett.》《Adv. Mater.》《Nano-Micro Lett.》等知名期刊上发表研究成果200余篇，其中被引用超100次的文章10余篇，高被引文章10余篇。申请/授权的国家发明专利100余项。相关技术与产品已实现成果转化，在民用和军用领域实现重要应用。担任《Nanoscale》《Appl. Mater. Interfaces》《RSC Adv.》《Appl. Phys. Lett.》《J. Appl. Phys.》等杂志的特约审稿人，《Adv. Compos. Hybrid Mater.》杂志编辑。
曾志辉纳米复合材料、电磁屏蔽/吸收材料、柔性电子器件。
山东大学曾志辉教授在电磁屏蔽、微波吸收材料的设计、制备、构筑及应用领域的研究不断取得新的进展。通过探索对不同导电纳米材料及高分子聚合物的合成，原创性地开发了一系列轻质、高效的电磁屏蔽材料及电磁波吸收材料。近年来，以第一作者或通讯作者发表在Adv. Mater., ACS Nano, Matter, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Nano-Micro Lett.等著名国际前沿期刊60余篇，影响因子大于10的SCI论文40余篇，ESI高被引论文13篇；受邀参加Elsevier出版社专著2章；申请、授权国际国内发明专利30余项。担任国际知名学术期刊Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Small, Carbon, Composite Part A, Sensors, Nanomaterials等审稿人或客座编辑, 中国复合材料学会高级会员, 中国化学会会员，《Nano-micro Letters》《包装工程》《当代化工研究》杂志青年编委委员；多次受邀参加相关领域国际国内学术会议的大会及主题报告。
吴娜复杂生物体系检测平台构建及应用；提高仪器电磁兼容的屏蔽材料制备；压阻型生物传感器构建及机理研究。
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