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哈爾濱工業(yè)大學(xué)威海材料科學(xué)與工程學(xué)院、材料科學(xué)與工程學(xué)院、湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院--MXene的表面工程策略以優(yōu)化電磁波吸收性能
       新興的二維材料Ti?C?T(MXene)因其出色的固有導(dǎo)電性和獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu),在電磁波吸收領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。然而,與其他導(dǎo)電材料類似,MXene面臨著阻抗失配的問題,從而阻礙了單一組分MXene材料的電磁波吸收能力。本研究采用熔融氯鹽法,通過表面工程獲得了具有不同表面氯/氧(Cl/O)比例的MXene樣品。其中,Cl/Ni-MX-6樣品表現(xiàn)出了-45.72 dB(1.6 mm)的最小反射損耗值和3.44 GHz(1.3 mm)的有效吸收帶寬。研究表明,增加蝕刻劑含量可以增強(qiáng)MXene的剝離效果并調(diào)節(jié)Cl/O比例。重要的是,通過調(diào)節(jié)-Cl/O表面官能團(tuán)可以限制電荷效應(yīng),從而優(yōu)化純MXene的電磁波吸收性能。這些見解有助于增強(qiáng)MXene基材料在電磁波吸收領(lǐng)域的性能,并更好地理解電磁波損耗機(jī)制。
       電磁波吸收(EWA)材料在解決日益嚴(yán)重的電磁波污染問題中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。同時(shí),對(duì)具有強(qiáng)吸收(高反射損耗,RL)、寬吸收帶寬(有效吸收帶寬,EAB,RL < -10 dB)、薄厚度和低負(fù)載的電磁波吸收材料的需求日益增長(zhǎng)。由于傳統(tǒng)的磁性金屬和鐵氧體材料難以滿足當(dāng)代需求,研究重點(diǎn)已轉(zhuǎn)向二維(2D)材料,如h-BN、石墨烯、g-C?N?和MoS?等,這些材料因其出色的機(jī)械性能、穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)和獨(dú)特的電學(xué)特性而成為研究的熱點(diǎn)。然而,純二維材料往往由于固有的介電特性而在交變電磁場(chǎng)中表現(xiàn)出單一的損耗機(jī)制,導(dǎo)致電磁波吸收性能不佳。因此,研究人員致力于通過復(fù)合介電/磁性組分、引入雜原子、設(shè)計(jì)獨(dú)特微結(jié)構(gòu)、表面工程等方法來改進(jìn)二維材料的電磁波吸收性能。
 
 
圖1. (a) Ti3C2Cl2制備的機(jī)制圖。(b) Al-MAX和Cl/Ni-MX-x(x=1.5、3、6和9)的XRD圖譜。(c) Cl/Ni-MX-6的C 1s,(d) Ti 2p,(e) O 1s和(f) Cl 2p區(qū)域的XPS精細(xì)譜。(g) Cl/Ni-MX-x表面檢測(cè)到的Cl和O原子含量的比值。
 
 
圖2.掃描電子顯微鏡(SEM)圖像:(a) Cl/Ni-MX-1.5,(b) Cl/Ni-MX-3,(c) Cl/Ni-MX-6 和 Cl/Ni-MX-9。透射電子顯微鏡(TEM)和高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)圖像:(e, e') Cl/Ni-MX-1.5,(f, f') Cl/Ni-MX-3,(g, g') Cl/Ni-MX-6 和 (i) Cl/Ni-MX-9,插圖 e'~g' 顯示了 Cl/Ni-MX-x 的逆快速傅里葉變換(IFFT)圖像,(h) Cl/Ni-MX-6 的元素分布圖,顯示了 Ti、Cl 和 O 元素的分布。
 
 
圖3。 (a) Cl/Ni-MX-1.5, (b) Cl/Ni-MX-3, (c) Cl/Ni-MX-6 和 (d) Cl/Ni-MX-9 的二維RL曲線。(e) ε' 的實(shí)部和 (f) 虛部與頻率的關(guān)系圖。(g) MXene吸波性能的比較。(h) 電導(dǎo)率部分和 (i) 極化部分與頻率的關(guān)系圖。
 
 
圖4。(a) Cl/Ni-MX-1.5,(b) Cl/Ni-MX-3,(c) Cl/Ni-MX-6 和 (d) Cl/Ni-MX-9 的 Z 值圖。Cole-Cole 圓圈圖用于 (e) Cl/Ni-MX-6 和 (f) Cl/Ni-MX-9。
 
 
圖5.(a) 模型,(b) 能帶結(jié)構(gòu),(c) DOS分布和(f) Cl端基MXene的電荷密度圖。PDOS圖(d) 連接到Cl端的Ti (Ti-1)和(e) 未連接到Cl端的Ti (Ti-2)。(g) 模型,(h) 能帶結(jié)構(gòu),(i) DOS分布和(l) O端基MXene的電荷密度圖。PDOS圖(j) Ti-1和(k) Ti-2的O端基MXene。
 
 
 
圖6.Cl/Ni-MX-x的電磁損耗機(jī)制示意圖。
 
 
圖7. (a) CST遠(yuǎn)場(chǎng)仿真模型,(b)PEC基底的3D RCS分布圖,(c) Cl/Ni-MX-1.5,(d) Cl/Ni-MX-3,(e) Cl/Ni-MX-6和(f) Cl/Ni-MX-9涂層。 (g) 不同Theta下的RCS曲線2D圖。(h) Cl/Ni-MX-x在特定角度(Theta = 0, 30, 60和90°)相對(duì)于PEC基底的RCS降低值圖。
 
       通過表面工程成功調(diào)節(jié)了MXene的表面官能團(tuán),優(yōu)化了其電磁波吸收性能。Cl/Ni-MX-6樣品在40 wt%填充量下,在1.6 mm厚度下實(shí)現(xiàn)了-45.72 dB的最小反射損耗值,并在1.2 mm厚度下具有3.44 GHz的有效吸收帶寬。研究表明,增加蝕刻劑含量可以誘導(dǎo)層剝離并調(diào)節(jié)表面官能團(tuán)的數(shù)量和種類。Cl/Ni-MX-6的出色電磁波吸收性能源于其適中的導(dǎo)電性和平衡的極化損耗。這項(xiàng)研究不僅開發(fā)了MXene單一組分吸波材料的應(yīng)用潛力,還為理論研究MXene的吸波機(jī)制提供了有價(jià)值的案例。
 

主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

1. ‌熔融氯鹽法調(diào)控MXene表面官能團(tuán)

· ‌方法創(chuàng)新‌:采用熔融氯鹽法(特別是熔融NiCl?)對(duì)MXene進(jìn)行表面工程處理,通過調(diào)整蝕刻劑含量來控制MXene表面的氯/氧(Cl/O)比例。這種方法為MXene的表面改性提供了一種新穎且有效的途徑。

2. 實(shí)現(xiàn)單一組分MXene的優(yōu)異電磁波吸收性能

‌性能優(yōu)化‌:通過精確調(diào)控MXene表面的Cl/O比例,成功制備出單一組分的MXene材料(Cl/Ni-MX-6),該材料在1.6 mm厚度下實(shí)現(xiàn)了-45.72 dB的最小反射損耗值,并在1.2 mm厚度下具有3.44 GHz的有效吸收帶寬。這一性能優(yōu)于許多報(bào)道的純MXene材料,展示了單一組分MXene在電磁波吸收領(lǐng)域的巨大潛力。

3. 揭示Cl/O官能團(tuán)對(duì)電磁波吸收性能的影響機(jī)制

‌機(jī)制探索‌:研究深入探討了Cl/O表面官能團(tuán)如何影響MXene的電磁波吸收性能。發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)Cl/O比例,可以有效限制MXene的電荷效應(yīng),優(yōu)化其導(dǎo)電性和極化損耗,從而實(shí)現(xiàn)電磁波吸收性能的提升。這一發(fā)現(xiàn)為理解MXene的電磁波損耗機(jī)制提供了新的視角。

4. 為MXene基電磁波吸收材料的研究提供新方向

‌研究方向‌:本研究不僅展示了熔融氯鹽法在MXene表面工程中的應(yīng)用潛力,還為開發(fā)高性能MXene基電磁波吸收材料提供了新的研究方向和思路。通過進(jìn)一步優(yōu)化表面工程策略,有望制備出性能更加優(yōu)異的MXene基電磁波吸收材料。

      這些創(chuàng)新點(diǎn)共同構(gòu)成了該文獻(xiàn)在MXene表面工程及電磁波吸收性能優(yōu)化方面的獨(dú)特貢獻(xiàn)。
https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.152041

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)


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