北京林业大学马明国：中空金属有机框架/MXene/纳米纤维素复合薄膜应用于GHz/THz电磁屏蔽和光热转换

研究背景

随着通信技术的不断发展，具有宽频率覆盖范围的电磁屏蔽材料引起了广泛关注。通过调控电磁屏蔽材料中的电和磁组分，以及结构设计来改善电磁屏蔽材料的性能仍然存在挑战。本工作采用交替真空辅助过滤工艺，实现了电/磁组分与纳米纤维素的合理调控；得益于独特交替电磁结构和多重电磁衰减机制，中空金属有机框架/MXene/纳米纤维素复合薄膜展现出优异的电磁屏蔽性能和光热转化性能。

Hollow Metal-Organic Framework/MXene/Nanocellulose Composite Films for Giga/Terahertz Electromagnetic Shielding and Photothermal Conversion

Tian Mai, Lei Chen, Pei-Lin Wang, Qi Liu, Ming-Guo Ma*

Nano-Micro Letters (2024)16: 169

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01386-5

本文亮点

1. 复合薄膜由具有独特交替电磁结构的中空金属有机骨架/层状MXene/纳米纤维素组成。

2. 优化后的复合薄膜在GHz和THz频率下表现出66.8 dB和114.6 dB的出色电磁屏蔽性能。

3. 通过实际可视化应用仿真验证了复合薄膜对电磁波的电磁屏蔽能力。

4. 复合薄膜表现出显著的光热转换性能，在0.8 W·cm⁻2下可达到235.4 ℃。

内容简介

北京林业大学材料科学与技术学院马明国课题组以中空金属有机骨架/层状MXene/纳米纤维素为原料，经过交替真空辅助过滤工艺构建了一种具有交替电磁结构的复合薄膜。该复合薄膜在GHz频率(Ka波段为66.8 dB)和太赫兹频率(0.1-4.0 THz时为114.6 dB)表现出优异的电磁屏蔽效果。此外，复合薄膜在0.7 THz时还表现出39.7 dB的高反射损耗，有效吸收带宽高达2.1 THz。此外，复合薄膜表现出优异的光热转换性能，在2.0 Sun和0.8 W·cm⁻2下可分别达到104.6 °C和235.4 °C。独特的微观和宏观结构设计结构将通过界面极化/多重散射吸收更多的入射电磁波，并通过局部表面等离子体共振效应产生更多的热能。这些特性使复合薄膜有望成在未来6G通信和寒冷环境电子设备中得到应用。这项工作为开发高性能的纳米纤维素基电磁屏蔽复合材料提供了新的思路。

图文导读

I 复合薄膜的制备路线以及微观结构表征

利用MOFs同拓扑结构以及金属不同的熔沸点的特性，经过外延生长和后续热解的方法制备出具有中空结构的金属有机骨架化合物。然后和纳米纤维素以及MXene经过AVAF法处理后，成功构造了具有交替电磁结构的复合薄膜。

图1.(a) Co-HCC、(b) d-Ti₃C₂Tₓ 和 (c) HMN 复合薄膜的制备工艺。

图2.(a) Co-HCC的TEM图像和(b) EDS线扫描图像。(c)TOCNFs的TEM图像和(d)尺寸分布。(e)d-Ti₃C₂Tₓ纳米片的TEM图像和(f)晶格条纹。(g，h)HMN复合薄膜的SEM图像，(i)示意图和(j)EDS映射。

II 电磁性能以及GHz/THz电磁屏蔽性能以及机理分析

电磁性能是决定电磁屏蔽性能的关键。经过AVAF法结构设计后的复合膜，在不同层间饱和磁化强度和电导率呈现出有序的交替趋势。这种交替的电磁结构有助于电磁波在复合膜内部的损失。电磁波会在不同电磁组分之间产生界面损耗，有序的电磁结构设计组件也会使电磁波难以穿透整个材料，从而提升材料的电磁屏蔽性能。

图3.(a-c)HMN复合薄膜的电导率和磁性。(d) 不同d-Ti₃C₂Tₓ含量的HMN复合薄膜的EMI SE。(e.f)不同层数的HMN复合薄膜的EMI SE。(g)从不同方向入射电磁波时的HMN复合薄膜的示意图和EMI SE。(h)HMN复合薄膜的X、Ku、K和Ka波段的EMI SE。

图4.(a、d)THz时域图。(b、e)电场强度和振幅。(c，f)THz EMI SE和RL(g，h)THz信号成像图。

图5.(a)Tesla线圈电路图以及示意图。(b) Tesla线圈实验。(c-d)电磁辐射探测器EMI性能。(e)EMI屏蔽机理示意图。(f) EMI SE与其他材料的比较。

III 光热转化能力

d-Ti₃C₂Tₓ和MOFs由于太阳辐射的局部表面等离子体共振(LSPR)效应，具有高效的光热转换能力。从MOFs表面衍生的碳纳米管赋予纳米颗粒更粗糙的表面，从而提高材料的光热转化能力。此外，LSPR在中空结构中得到进一步提升，可以减少热损失。d-Ti₃C₂Tₓ和Co-HCC的分层结构和LSPR协同效应赋予了复合薄膜优异的光热转换能力。

图6. (a)复合薄膜的紫外-可见-近红外吸光度光谱。(b)不同太阳辐射强度下复合薄膜的表面温度曲线。(c)复合薄膜的太阳光循环能力。(d)复合薄膜在2.0 Sun(上)和0.8 W·cm⁻2下(下)不同时间间隔下的红外热成像照片。(e)不同激光功率密度下HMN复合薄膜的表面温度曲线。(f)不同激光功率密度下复合薄膜的温度演变图。(g)光热转化机理示意图。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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