研究背景

目前，電磁波泄漏和相互干擾問題逐漸復(fù)雜和凸顯。電磁波污染已經(jīng)成為一種真正的危險，它不僅影響通訊設(shè)備的運行，還在一定程度上危害人類的身體健康。采用新型高性能電磁波吸收材料是解決此類問題的重要方法之一。此類材料應(yīng)具有輕量化、寬吸收頻帶、薄厚度、強吸收等特點，這對其設(shè)計提出了巨大的挑戰(zhàn)。

? ? ? 近年來的研究表明，石墨烯、二硫化鉬和過渡金屬碳氮化物（MXenes）等二維納米材料具有發(fā)展成為高性能電磁波吸收材料的巨大潛力和廣闊前景。本文作者以高濃度HF刻蝕Mo2TiAlC2?MAX相得到了多層Mo2TiC2Tx、之后借助四甲基氫氧化銨（TMAOH）作為插層劑得到了少層Mo2TiC2Tx（d-Mo2TiC2Tx）。通過溶劑熱還原方法在少層MXene上負載了不同形貌的Ni粒子（球狀和花狀），并研究了Ni/Mo2TiC2Tx的物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌和表面化學(xué)狀態(tài)。之后研究了Ni/Mo2TiC2Tx復(fù)合材料的微波響應(yīng)特性，得到了薄涂層、寬頻帶、強吸收的輕質(zhì)吸波材料。

成果簡介

近日，鄭州大學(xué)張銳教授和范冰冰副教授團隊采用刻蝕和插層相結(jié)合的方法制備了一種新興的少層Mo2TiC2Tx?MXene，與多層結(jié)構(gòu)相比，更寬的層間距有利于磁性納米顆粒的載入。隨后，通過不同的溶劑熱還原途徑將球形和花狀Ni負載到d-Mo2TiC2Tx上。首次系統(tǒng)研究了Ni/Mo2TiC2Tx粉末的電磁波吸收（EMA）性能。研究表明，花狀Ni負載d-Mo2TiC2Tx?MXene復(fù)合材料（NM-2）在2-18 GHz范圍內(nèi)具有良好的EMA性能，這主要得益于加載Ni后產(chǎn)生了介質(zhì)-磁損耗的協(xié)同效應(yīng)，以及2D/2D結(jié)構(gòu)帶來的良好的阻抗匹配條件和對電磁波的多重散射和反射。本研究的結(jié)果為優(yōu)化和擴展二維MXenes雜化材料的電磁波吸收應(yīng)用提供了有價值的參考。

該成果在線發(fā)表于國際頂級期刊?Chemical Engineering Journal?(影響因子13.3) 上，題目為：Tailoring electromagnetic responses of delaminated Mo2TiC2Tx?MXene through the decoration of Ni particles of different morphologies。

胡飛越為本文第一作者。

圖文導(dǎo)讀

圖1.??XRD圖譜：(a) Mo2TiAlC2?和 Mo2TiC2Tx，(b)不同形態(tài)的Ni和 Ni/Mo2TiC2Tx，(c) Ni/Mo2TiC2Tx樣品 (110) 晶面衍射峰的放大圖。

圖2.?SEM圖像：(a) m-Mo2TiC2Tx, (b) d-Mo2TiC2Tx, (c)N1, (d)N2, (e)NM?1, (f) NM-2。

圖3.?Ni/Mo2TiC2Tx雜化材料的制備示意圖。

圖4.?樣品NM?2的XPS光譜：(a) NM?2的XPS全譜，(b) Mo 3d光譜，(c) Ti 2p光譜，(d) Ni 2p光譜，(e) C 1s光譜，(f) O 1s光譜。

圖5.?樣品NM?2的XPS光譜：(a) NM?2的XPS全譜，(b) Mo 3d光譜，(c) Ti 2p光譜，(d) Ni 2p光譜，(e) C 1s光譜，(f) O 1s光譜。

圖6.?Ni/Mo2TiC2Tx?(NM?2)?的EDS圖譜：(a) TEM形貌，(b) Mo元素精掃，(c) Ti元素精掃，(d) Ni元素精掃，(e) C元素精掃，(f) F元素精掃，(g) 面掃全譜圖。

圖7.?(a)?介電常數(shù)實部(ε?)，(b)?介電常數(shù)虛部(ε?)?，(c)?介電損耗角正切(tan δε)，(d)?磁導(dǎo)率實部(μ?)，(e)?磁導(dǎo)率虛部(μ?)，(f)?磁損耗角正切 (tan δμ)。

圖8.?各個樣品/石蠟吸波環(huán)(50 wt%樣品)在2～18 GHz的不同厚度下的RL曲線：(a) d?Mo2TiC2Tx，(b) N1，(c) N2，(d) NM-1，(e) NM-2，(f) 2 mm相同厚度下各個樣品的RL值與頻率的關(guān)系圖。

圖9.?(a) d?Mo2TiC2Tx，(b) N1，(c) N2，(d) NM-1，(e) NM-2的3D吸波圖，(f) NM?2的不同厚度與頻率的RL平面映射圖。

圖10.?(a) NM?2的不同厚度的RL圖，(b) T3的四分之一波長厚度模擬圖，(c) 2 mm相同厚度下所有樣品的阻抗匹配圖，(d) 1.4 mm厚度下NM?2樣品的RL曲線與Zin/Z0的對照圖，(e) NM?2樣品的3D阻抗匹配圖，(f) NM?2的2D平面映射Zin/Z0圖。

圖11.?樣品NM?2的XPS光譜：(a) NM?2的XPS全譜，(b) Mo 3d光譜，(c) Ti 2p光譜，(d) Ni 2p光譜，(e) C 1s光譜，(f) O 1s光譜。

圖12.?(a) NM?2樣品的TEM圖像，(b-d)對應(yīng)的離軸電子全息圖。

圖13.?(a)?花狀Ni顆粒(N2), (b)和Ni/Mo2TiC2Tx?(NM-2)的磁滯回線，(b)NM?2的渦流系數(shù)C0?(μ''μ'-2f-1)的頻率依賴性曲線。

圖14.?Ni/Mo2TiC2Tx?(NM-2)的吸波機理示意圖。

總結(jié)

? ? ??本文通過對多層Mo2TiC2Tx進行插層和超聲處理技術(shù)，獲得了少層Mo2TiC2Tx（d?Mo2TiC2Tx）納米片，再通過溶劑熱還原方法將不同形貌的Ni磁性物質(zhì)（球狀和花片狀）負載在少層MXene上，制備了Ni/Mo2TiC2Tx復(fù)合材料。研究結(jié)果表明：MXene表面豐富的官能團和受限的層間空間可以減小Ni的尺寸并促進分散。此外，花狀Ni負載的MXene（NM?2）表現(xiàn)出最佳的吸波性能：厚度1.4 mm時，回波損耗極值達到-50.36 dB（13.28 GHz），頻帶寬度為3.04 GHz。同時，它可以在2 mm的厚度內(nèi)有效地吸收X和Ku波段（8～18 GHz）的電磁波，這歸功于增強的介電-磁損耗的協(xié)同效應(yīng)，以及良好的阻抗匹配和2D/2D結(jié)構(gòu)的多重散射。因此，新型的Ni/Mo2TiC2Tx有望成為一種非常有前途的薄而強的吸波劑。

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