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
Diverse Structural Design Strategies of MXene-Based Macrostructure for High-Performance Electromagnetic Interference Shielding
Yue Liu＃, Yadi Wang＃, Na Wu*, Mingrui Han, Wei Liu, Jiurong Liu *, Zhihui Zeng*Nano-Micro Letters (2023)15: 240
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01203-5
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。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。
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。
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本文通讯作者
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。▍主要研究成果
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。▍Email：jrliu@sdu.edu.cn
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本文通讯作者
▍主要研究成果
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。▍Email：zhihui.zeng@sdu.edu.cn
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本文通讯作者
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。▍主要研究成果
山东大学吴娜研究员在交叉技术联用创建原生环境下复杂生物分子行为研究新平台，用于提高仪器检测部件信噪比的电磁兼容纳米复合材料制备及机理研究，及压阻型柔性可穿戴智能多功能传感器的构建及研究机理等领域不断取得新进展。近年来，相关的研究工作以第一作者及通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.; Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.; Anal. Chem.; Adv. Funct. Mater.; ACS Nano; Matter; Nano-Micro Lett.; Nano research等期刊发表论文21篇，申请国内外发明专利4项，授权1项，Nanomaterials杂志客座编辑。
▍Email：na.wu@sdu.edu.cn
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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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