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研究背景
Fushuo Wu, Peiying Hu, Feiyue Hu, Zhihua Tian, Jingwen Tang, Peigen Zhang*, Long Pan, Michel W. Barsoum, Longzhu Cai, ZhengMing Sun*
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01158-7
本文亮点
内容简介
东南大学孙正明教授课题组创新设计了一种轻质多功能的MXene/C气凝胶材料。利用静电纺丝技术将二维的MXene材料卷曲成一维纳米纤维，并连接成三维导电网络，巧妙地解决了MXene片层易堆叠的难题。独特的三维导电网络赋予气凝胶极低的密度，良好的阻抗匹配，和优异的损耗能力。MXene/C气凝胶最小反射损耗(RLmin)值在3.8mm时达到-53.02 dB，2.4 mm时的有效吸收带宽(EAB)为5.3 GHz，雷达散射截面积(RCS)减小值达到12.02 dB m²。此外，MXene/C气凝胶还展现出优异的隔热性能，在80 ℃的加热条件下，5mm厚的气凝胶可产生30 ℃以上的温度梯度。这项工作为开发轻质、高效、多功能的MXene基微波吸收材料提供了一种简单可行的设计方法。
图文导读
I MXene/C气凝胶的制备与形貌、结构表征
图1. MXene/C气凝胶制备工艺示意图。
如图2a所示，MXene/C气凝胶具有极低的密度(0.02-0.05g/cm³)。利用XRD、Raman、XPS等测试对MXene/C气凝胶的物相结构、化学组成等进行系统表征。XRD图谱(图2b)结果表明将二维MXene纳米片卷曲成一维纳米纤维可以有效抑制MXene片层的堆叠。在Raman光谱图(图2c)中，MC-1气凝胶的D峰和G峰分别位于1344和1572 cm⁻¹，其ID/IG值(1.09)与CNF相似，这表明MXene的引入并没有改变CF的石墨化程度。MXene/C气凝胶的XPS谱图(图2d)显示其主要由C、Ti、O和F元素组成，这与MXene的组分一致。
图2. (a) MXene/C气凝胶放置在樱花上的数字图像；(b) 样品的XRD图谱及局部放大图像；(c) CNF和MC-1气凝胶的拉曼光谱图；(d) MXene和MC-1的XPS光谱。
从图3(a-c)可以看出由于MXene纳米片在纺丝过程中发生卷曲，纤维表面产生明显的褶皱。此外，MXene/C纳米纤维的直径随着MXene含量的增加而减小，MC-3纤维的最小直径在100 nm左右。在HRTEM图像中(图3g)，可以观察到宽度为0.24 nm和0.22 nm的清晰晶格条纹，分别对应于MXene (103)和carbon (100)平面。结合元素分布图(图3e和f)，进一步表明MXene/C纳米纤维的主要成分是Ti₃C₂Tₓ MXene和碳。此外，纤维中存在着大量异质界面(晶体/非晶态界面)和晶格缺陷(如晶格畸变、不连续晶格条纹和点缺陷)。这些区域的晶格周期性被打乱，导致电荷分布不均匀和空间电荷区域改变，将有助于产生大量的界面极化和电磁损耗。
图3. (a) MC-1，(b) MC-2和 (c) MC-3气凝胶的SEM图像；(d) MC-1气凝胶的TEM图，(e, f) 元素分布图；(g) MC-1气凝胶HRTEM图像。
II 力学性能
如图4a所示，MC-2气凝胶在20%、40%、60%和80%压应变下的抗压应力分别为0.56、1.47、4.41和15.19 kPa。图4c显示了MC-2气凝胶在20%、40%、60%和80%压缩应变下的实时电流响应，电流响应曲线呈现稳定的周期性变化。特别是在60%压应变下循环20次时，电流随应力的完美周期性变化(图4d)表明其具有优异的抗疲劳性能，进一步证明了其三维网络结构的稳定性。如图4e所示，MC-2气凝胶在0-15.19 kPa的压力范围内线性灵敏度可达73.98 kPa⁻¹，展现出良好的应变传感性能。
图4. (a) 应力-应变曲线；(b) MXene/C纳米纤维对外部应力的响应机理示意图；(c) 不同应变下的电流响应；(d) 电流在应力作用下的同步响应；(e) 线性灵敏度(工作压力范围0-15.19 kPa)。
III 微波吸收性能
图5展示了MXene/C气凝胶的微波吸收性能。与CNFs和纯MXene相比，MXene/C气凝胶表现出优越的微波吸收性能。MC-1气凝胶在8.24 GHz频率下，在2.8 mm处的RLmin=-40.73 dB，在2.70 mm处的EAB为5.28 GHz (7.44 GHz-12.72 GHz)，覆盖整个X波段。同样，MC-2气凝胶在9.28 GHz时，在2.3 mm处的RLmin= -51.55 dB，而在2.4 mm处的EAB为4.72 GHz。其中MC-3气凝胶的RLₘᵢₙ值最小，在9.28 GHz时的RLmin值为-53.02 dB，匹配厚度为3.8 mm。如图5g所示，与先前报道的MXene基微波吸收材料相比，MXene/C气凝胶表现出优异的微波吸收性能。
图5. MXene/C气凝胶的三维反射损耗图：(a) MC-1，(b) MC-2和 (c) MC-3；MXene/C气凝胶的二维带宽图：(d) MC-1，(e) MC-2和 (f) MC-3；(g) 典型MXene基吸波材料的微波吸收性能对比；MXene/C气凝胶的 (h) Cole-Cole圆和 (i)衰减常数。
IV 电磁吸收机理
图6展示了MXene/C气凝胶的微波吸收机制。具有丰富空隙的三维导电网络，优化了材料的阻抗匹配，并显着延长了微电流的传输路径，增强对电磁波的电导损耗。气凝胶中纳米纤维表面和嵌入的MXene纳米片还可实现对电磁波多重反射损耗。通过将MXene纳米片卷曲成一维纳米纤维，有效抑制MXene纳米片的自堆积。因此，MXene纳米片可更均匀地与碳复合，形成大量的MXene/碳异质结，这将有助于增强界面极化。此外，MXene表面丰富的官能团和纤维中的碳缺陷也有助于产生偶极子极化，实现对电磁波的有效吸收。因此，得益于其独特的结构设计和组分协同效应，MXene/C气凝胶表现出优异的吸波性能。
图6. MXene/C气凝胶的微波吸收机理示意图。
V 隔热性能
MC-3气凝胶红外图像(图7 a-k)显示，连续加热30 min过程中其表面温度逐渐升高。30 min后，气凝胶表面与气凝胶热板的温差均大于30 ℃(图7 h)，隔热性能优异。此外，热红外图像(图7i)显示，气凝胶的上表面呈现深色并始终与周围环境完美融合，表明其在热红外隐身领域也极具潜力。
图7. (a-g) MC-3气凝胶在30 min内拍摄的热红外图像；(h) 放置在82℃加热板上的气凝胶表面温度变化曲线；(i) MC-3气凝胶放置在手上的热红外图像。
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▍主要研究成果
▍Email：zhpeigen@seu.edu.cn
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