二維材料MXene憑借其優(yōu)異的導(dǎo)電性、良好的機(jī)械性能以及豐富的表面官能團(tuán)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在電磁波吸收領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注。由于相鄰MXene納米片之間較強(qiáng)的范德華力和氫鍵作用，導(dǎo)致其特性受到極大限制，不利于表面活性位點(diǎn)性能的充分發(fā)揮。通過層間引入金屬離子、金屬氧化物納米顆粒、聚合物等間隔物構(gòu)建三維空心結(jié)構(gòu)，已被證明是解決這一問題的有效途徑。基于MXene結(jié)構(gòu)的特性，通過靜電自組裝策略，將帶負(fù)電的MXene與其它合適的組分相結(jié)合，構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)體系無疑是一種更為簡(jiǎn)便有效的策略。

Electrostatically Assembling 3D Ultralight Hollow NiCo Compound@MXene Composites with Hierarchical Structure for Tunable and High-efficient Microwave Absorption

Hui-Ya Wang, Xiao-Bo Sun, Shu-Hao Yang, Pei-Yan Zhao, Xiao-Juan Zhang*, Guang-Sheng Wang*, Yi Huang

Nano-Micro Letters (2021)13: 206

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00727-y

本文亮點(diǎn)

1.?靜電自組裝法構(gòu)建超輕NiCo化合物@MXene三維納米復(fù)合材料，高效利用了空心多面體骨架和優(yōu)良導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.?在較低填充量下，復(fù)合材料的最小反射損耗可達(dá)–67.22 dB，有效吸收帶寬可達(dá)6.72 GHz。

3.?通過調(diào)整填充量和Ti?C?T?納米片的負(fù)載量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁參數(shù)以及吸波性能的調(diào)諧。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

北京航空航天大學(xué)王廣勝課題組通過靜電自組裝結(jié)合熱處理工藝制備了三維空心NiCo化合物@Mxene復(fù)合材料。此策略不僅有效地抑制了MXene薄片的自堆積、電導(dǎo)損耗和界面極化，而且顯著地優(yōu)化了阻抗匹配特性，從而有效地延長(zhǎng)了電磁波的傳播路徑?；诖霜?dú)特結(jié)構(gòu)和多種組分的協(xié)同效應(yīng)，復(fù)合材料在2.10 mm時(shí)獲得了6.72 GHz的有效吸收帶寬，覆蓋整個(gè)Ku波段；另外，在厚度為1.70 mm時(shí)獲得最小反射損失值為–67.22 dB，填充量?jī)H為5 wt%。

圖文導(dǎo)讀

I?三維空心NiCo@MXene復(fù)合材料的制備過程

通過刻蝕ZIF-67前驅(qū)體合成空心NiCo LDH納米籠，在ZIF-67模板被逐漸蝕刻的同時(shí)，Co2?被部分氧化成Co3?，然后Co2?/Co3?和Ni2?共沉淀促進(jìn)空心NiCo LDH納米籠的形成。通過靜電自組裝工藝實(shí)現(xiàn)MXene納米片的耦合，從而得到NiCo LDH@MXene (LDHTP)分級(jí)結(jié)構(gòu)；然后，在氬氣下熱處理，轉(zhuǎn)變?yōu)镹iCo TMO@MXene (TMOT)，制備過程如圖1所示。

圖1.?三維空心LDHT和TMOT復(fù)合材料的制備流程圖。

II?三維空心NiCo@MXene復(fù)合材料的表征

制備的納米籠結(jié)構(gòu)與表征如圖2(a-c)所示：較小的Ti?C?T? MXene納米片修飾在空心LDH/TMO片層結(jié)構(gòu)的表面，而較大的MXene納米片則充當(dāng)連接橋梁，有利于構(gòu)建三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。元素分布圖(圖2f)進(jìn)一步證明了Co、Ni、Ti、C和O的均勻分布，這表明MXene成功組裝在TMO表面。

圖2.?LDHT納米籠的(a) TEM圖，(d) HRTEM圖；TMOT納米籠的(b,c) TEM圖，(e) HRTEM圖，(f) 元素分布圖。

本文構(gòu)建的LDHIT復(fù)合材料的堆積密度為0.0484 g/cm?3，可以放在綠葉和蘆葦絮上，是一種超輕質(zhì)材料(圖3)。

圖3. LDHT復(fù)合材料放置在葉子和蘆葦絮上的圖片。

從Ti?C?T??MXene的XRD圖譜(圖4a)中可以看到，位于39°處的最強(qiáng)峰消失，表明鋁層被選擇性去除；(0002)峰向較低的角度移動(dòng)，證明剝落Ti?C?T?納米片的層間距離增大。靜電自組裝后，進(jìn)一步向低角度方向移動(dòng)的(0002)強(qiáng)有力地表明3D空心NiCo LDH的引入有效地減輕了MXene納米片的自堆積。從Ti 2p高分辨XPS圖譜(圖4f)可知，Ti-O鍵的含量從Ti?C?T??MXene中的4.28 %增加到TMOT中的41.54 %，而XRD圖譜中并沒有檢測(cè)到TiO?峰，這表明Ti?C?T??MXene和NiCo TMO的成功結(jié)合是通過強(qiáng)共價(jià)鍵相互作用。

圖4. (a,b) XRD譜圖以及Ti?C?T?和NiCo TMO@MXene復(fù)合材料的XPS圖譜：(c) C 1s，(d) Co 2p，(e) Ni 2p和(f) Ti 2p。

III?三維空心NiCo化合物@MXene復(fù)合材料的微波吸收性能

良好的吸波材料應(yīng)具有適當(dāng)?shù)淖杩蛊ヅ浜蛢?yōu)異的衰減常數(shù)。Ti?C?T??MXene和NiCo LDH由于其自身的局限性展現(xiàn)出較差的吸波能力，優(yōu)化后的LDHT復(fù)合材料具有顯著提高的微波吸收性能。在厚度僅為2.10 mm時(shí)，LDHT-9 (圖5c)的最小反射損耗為–36.88 dB，有效吸收帶寬高達(dá)6.72 GHz，覆蓋整個(gè)Ku波段。熱處理后，TMOT-21在1.70 mm時(shí)最小反射損耗可達(dá)–67.22 dB (圖6和7)。

圖5. 填充量為15 wt%時(shí)，NiCo LDH@Mxene復(fù)合材料的三維反射損耗圖：(a)?Ti?C?T?，(b) LDH，(c) LDHT-9，(d) LDHT-12，(e) LDHT-18和(f) LDHT-24。

圖6. 填充量為15 wt%時(shí)，NiCo LDH@Mxene復(fù)合材料的有效吸收帶寬圖。

圖7. NiCo TMO@Mxene復(fù)合材料的三維反射損耗圖。

IV?三維空心NiCo TMO@MXene復(fù)合材料的吸波機(jī)理

圖8展示了NiCo TMO@MXene復(fù)合材料的電磁波吸收機(jī)制?？招慕Y(jié)構(gòu)有助于優(yōu)化阻抗匹配行為。彎曲且隨機(jī)取向的Ti?C?T? MXene薄片構(gòu)建了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，促使內(nèi)部電子在外加磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生定向遷移，提高電導(dǎo)損耗，從而將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能。MXene的表面官能團(tuán)和本征缺陷以及煅燒后形成的氧空位都有效地優(yōu)化了阻抗匹配，同時(shí)提高偶極極化和缺陷極化。另外，三維空心NiCo TMO@MXene復(fù)合材料可以提供多次反射和散射，以延長(zhǎng)電磁波的傳輸路徑；同時(shí)，三維層次結(jié)構(gòu)可以提供高密度的異質(zhì)界面，這將誘導(dǎo)空間電荷的積累和不均勻分布，并產(chǎn)生宏觀電矩，導(dǎo)致增強(qiáng)的界面極化(稱為麥克斯韋-瓦格納效應(yīng))。

圖8. NiCo TMO@MXene復(fù)合材料的微波吸收機(jī)理示意圖。

作者簡(jiǎn)介

王廣勝

本文通訊作者

北京航空航天大學(xué)?教授

▍主要研究領(lǐng)域

主要從事納米復(fù)合材料和石墨烯基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)、制備與吸波、電磁屏蔽及儲(chǔ)能等性能研究。

▍主要研究成果

北京航空航天大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，化學(xué)學(xué)院副院長(zhǎng)。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人已主持國(guó)家自然科學(xué)基金4項(xiàng)，參與JKW創(chuàng)新項(xiàng)目等多項(xiàng)科研課題。以第一或通訊作者在Adv. Funct. Mater.，Small，Chem. Eng. J.，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Inter.等期刊發(fā)表文章96篇，目前他引次數(shù)4200余次，H因子38；其中ESI前1 % 高被引論文11篇，熱點(diǎn)論文1篇，引用次數(shù)均超過100次13篇；單篇最高引用537次；獲授權(quán)發(fā)明專利3項(xiàng)，部分結(jié)果已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化中試階段。擔(dān)任Angew Chem. Int. Edit.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Adv. Funct. Mater.等國(guó)際期刊的審稿人以及國(guó)家自然科學(xué)基金通訊評(píng)議專家等學(xué)術(shù)職務(wù)；指導(dǎo)研究生20余人。

▍Email:?wanggsh@buaa.edu.cn

章曉娟

本文共同通訊作者

北京工商大學(xué) 講師

▍主要研究領(lǐng)域

新型納米吸波材料的設(shè)計(jì)及功能高分子復(fù)合材料研究。

▍主要研究成果

在Adv. Funct. Mater.，J. Mater. Chem. A，ACS Appl. Mater. Interfaces，Compos. Part. B-eng.，J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表科研論文20余篇，其中高被引ESI論文2篇，他引次數(shù)超過1800次。

▍Email:?zhxiaojuan@btbu.edu.cn

王慧雅

本文第一作者

北京航空航天大學(xué) 博士研究生

▍主要研究領(lǐng)域

電磁波吸收和屏蔽用Mxene基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)及多功能化研究。

▍主要研究成果

以第一作者在J. Mater. Chem. A等期刊發(fā)表SCI論文8篇。

撰稿：原文作者

編輯：《納微快報(bào)(英文)》編輯部

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