第一作者：Aamir Iqbal
通訊作者：Chong Min Koo（韓國科學技術院）、Yury Gogotsi（德雷塞爾大學）
通訊單位：韓國科學技術院、德雷塞爾大學
研究亮點：
1．MXene材料電磁屏蔽性能。
2．熱煅燒處理提高電磁屏蔽、機理研究。
研究背景
質量較輕、超薄、柔性電磁干擾屏蔽材料在保護電學線路、便攜式電信設備、消除器件中各組分的串擾中有廣泛應用前景。
MXene是Yury Gogotsi等在2011年首先開發的一種二維結構材料，其具有一些優秀的性質，比如非常高的強度、導電性、分子過濾作用等。其中含Ti的MXene材料具有阻斷和吸收電磁干擾的能力，并且性能高于目前已知的各種材料，甚至比大多數電學設備中常用的金屬薄膜效果更好。
Yury Gogotsi評價說，“這個發現是對目前電磁屏蔽材料性能的突破，其不僅僅展現了高于Cu的電磁屏蔽效果，同時其作為二維材料展現出和塊體材料不同的抗電磁屏蔽能力”。
圖1. MXene材料結構和組成
擬解決或者擬探索的關鍵問題
開發具有優異電磁屏蔽效應的MXene材料。
成果簡介
有鑒于此，韓國科學技術院Chong Min Koo、德雷塞爾大學Yury Gogotsi等報道了二維過渡金屬碳化物材料Ti3CNTx MXene，具有合適的導電性，并且展現出高于相同厚度的Ti3CTx或金屬薄膜材料的屏蔽能力。
圖2. MXene熱煅燒處理。
要點1：Ti3CNTx型MXene材料電磁熱處理制備和表征
通過真空輔助過濾（vacuum-assisted filtration）Ti3CNTx，Ti3C2Tx分散液的方法得到不同厚度的獨立的膜，隨后分別在150 ℃，250 ℃，350 ℃中的Ar氣氛中進行熱煅燒處理。粉末衍射XRD結果顯示，熱處理后的材料（002）晶面對應的峰位置由5.76°分別移動到6.3°、6.76°、7.1°，對應于層間距由1.53 nm移動到1.40 nm，1.31 nm，1.24 nm。雖然更高的煅燒溫度導致層間距降低，但是孔徑大小和孔體積增加，這是由于材料的氧化程度增加。本征材料的導電率為1125 S cm-1，熱煅燒后材料的導電性提高，并在250 ℃煅燒時達到最大導電率2375 S cm-1，同時在350 ℃中煅燒電導率反而稍有降低（1786 S cm-1）。
要點2：電磁屏蔽性能測試
電磁屏蔽作用。屏蔽效率SE（shielding effectiveness）測試結果顯示，煅燒前的本征材料電磁屏蔽效應的SET為61 dB，在150 ℃，250 ℃，350 ℃中煅燒后，電磁屏蔽效應分別提高為77 dB，99 dB，116 dB。
電磁屏蔽測試優勢。厚度在50~100 μm范圍內屏蔽效果大于50 dB的材料能夠在實際情況中應用，本工作中熱處理的Ti3CNTx的電磁屏蔽性能達到116 dB，說明具有較好的應用前景。
圖3. MXene材料電磁屏蔽性能。
圖4. MXene材料電磁屏蔽性能和已有材料性能的比較。
要點3：電磁屏蔽機理
作者嘗試計算方法對材料的屏蔽性能進行計算，并發現對未煅燒的材料而言，模擬計算和實驗結果很相符，但是對于煅燒處理，模擬計算結果無法給出實驗中出現的大幅度電磁屏蔽提升效果。作者認為除了導電性、多孔性對電磁屏蔽的影響，熱煅燒處理過程可能導致了原子層展現出超材料結構，這種結構通過介電常數和磁導率的調控提升了材料的電磁吸收。具體的作用機制作者認為需要進一步深入研究。
前期工作
圖5. 前期工作 Electromagnetic interference shielding with 2D transition metal carbides (MXenes)，Science, 2016, 353, 1137-1140. DOI：10.1126/science.aag2421。
2016年，Yury Gogotsi等首次發現含Ti的MXene材料具有較好的電磁屏蔽性能，并提出了這種二維材料電磁屏蔽的機制。當電磁波遇到MXene材料的界面，部分電磁波發生反射（高導電性的材料中載流子濃度較高，提高了電磁波反射性能），同時MXene材料界面上的官能團產生界面偶極作用，產生一定的電磁波吸收能力。進一步的，穿透MXene材料的電磁波能量發生消耗，并再一次發生類似的反射/吸收/透過過程，在材料中產生多重內部電磁波反射現象。
參考文獻
Aamir Iqbal, et al. Anomalous absorption of electromagnetic waves by 2D transition metal carbonitride Ti3CNTx (MXene), Science 2020
DOI：10.1126/science.aba7977
https://science.sciencemag.org/content/369/6502/446
作者簡介
Yury Gogotsi教授，是美國德雷克塞爾大學杰出教授、納米技術研究所所長，是世界著名材料專家、ACS Nano雜志副主編、碳素材料和陶瓷材料技術領域的國際知名學者。他所領導的研究組開創了二維層狀陶瓷材料（MAXene）方面的研究，在海水淡化、電容去離子技術、儲能電池、超級電容器等研究領域做出重大貢獻。
網站：https://nano.materials.drexel.edu/
