安徽工程大学郑贤宏副教授JCIS：皮芯型异质结构石墨烯/MXene纤维气凝胶用于持久高效电磁屏蔽和高温隔热

过渡金属碳化物/氮化物（MXene）由于其金属性电导率、高比表面积、典型的层状结构、优异的分散性和高赝电容特性使得其在电化学储能、电磁屏蔽、催化和传感等领域具有广泛的应用前景。然而MXene表面丰富的含氧官能团极易造成其在环境中吸湿而造成氧化降解和性能衰退，这是目前MXene材料商业化应用的重要瓶颈之一。文献报道的抗氧化剂处理、共价交联策略和聚阴离子包裹策略虽然可以在一定程度上提高其环境稳定性，但是稳定剂的加入一方面会恶化MXene材料的高导电性，还会影响MXene材料和其他材料的兼容性。因此，在不恶化MXene固有性能的前提下，通过合理结构设计开发高耐久性MXene基功能材料具有重大意义。

近日，安徽工程大学郑贤宏副教授团队提出了一种高导电石墨烯包覆策略，基于此构筑了一种皮芯型异质结构石墨烯/MXene纤维气凝胶，具有高效持久的电磁屏蔽性能、高疏水性、高导电性、高效油水分离特性和高温隔热性能。研究内容以“Interfused core-shell heterogeneous graphene/MXene fiber aerogel for high-performance and durable electromagnetic interference shielding”为题发表在中科院一区TOP期刊《Journal of Colloid and Interface Science》（影响因子：9.96）。

【一、皮芯型异质结构石墨烯/MXene纤维气凝胶的构筑】

通过原位氢氟酸刻蚀法制备单分散MXene分散液，并将其作为芯层纺丝液，以氧化石墨烯分散液为皮层纺丝液，采用同轴纺丝法首先制备皮芯型氧化石墨烯/MXene胶体纤维，随后通过湿法熔融组装技术和冷冻干燥技术制备氧化石墨烯/MXene纤维气凝胶，最后通过化学还原制备具有融合结构的皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶。制备的皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶具有高疏水、高导电、质地轻、孔隙率高的特点，可以用于电磁屏蔽和油水分离领域。

图1.皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶的制备及其应用

【二、纤维气凝胶的表征】

制备的皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶具有优异的压缩性能和压缩恢复性能，这主要是由于气凝胶中纤维呈现“Y”形融合互锁结构，进而赋予纤维气凝胶较好的结构一致性，更有利于负载时应力的传递。此外，制备的纤维气凝胶具有较高的电导率，可高达1450 S/m，接近于文献报道的MXene基气凝胶。气凝胶中纤维呈现明显的皮芯结构，芯层的MXene可以被9微米石墨烯皮层充分包覆，进而阻止MXene的吸湿氧化分解。

图2.MXene微观结构表征、纤维可纺性、纤维气凝胶压缩性能和微观形貌结构

图3.皮芯型石墨烯/MXene气凝胶纤维SEM图及EDS图

【三、纤维气凝胶的电磁屏蔽性能和机制】

皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶具有优异的电磁屏蔽性能，其电磁屏蔽效能可高达83.3 dB，并且展现出以吸波为主的电磁屏蔽机制，可以充分减少电磁波反射作用带来的二次污染。这种屏蔽机制主要归因于内部的多次反射作用、导电损耗作用和极化损耗作用的协同作用。更重要的是，皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶具有优异的电磁屏蔽耐久性，在放置120天之后，其电磁屏蔽效能仅下降17.4%，而对应的MXene膜电磁屏蔽效能下降33.7%，这主要来源于皮层石墨烯对MXene的保护作用。

图4. 皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶电磁屏蔽性能及其屏蔽机制

【四、纤维气凝胶的油水分离性能】

皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶具有较好的疏水性，其水接触角高达145.4°，并且对油和有机溶剂的吸附容量最高可高达40倍，在油水分离领域具有巨大的应用前景。

图5.皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶油水分离性能

【五、纤维气凝胶的隔热性能】

皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶较低的密度和较高的孔隙率，使其成为理想的保温隔热材料，其室温导热系数为0.052~0.066 W/m·K，接近于二氧化硅基气凝胶（0.032–0.169 W/m·K），在高温隔热和人体热量管理等领域具有广泛的应用前景。

图6.皮芯型石墨烯/MXene纤维气凝胶隔热性能

综上所述，采用高导电石墨烯包覆策略，通过湿法熔融组装技术和冷冻干燥技术制备的皮芯型异质结构石墨烯/MXene纤维气凝胶，通过石墨烯的保护作用抑制MXene的吸湿氧化降解作用，并且制备的纤维气凝胶具有优异的导电性、高疏水性、高效持久的电磁屏蔽性能、高效油水分离特性和高温隔热性能。该项工作有助于进一步理解异质结构与MXene环境稳定性的构效关系，也为构筑高耐久性MXene基功能材料提供了新思路和新方法。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021979722013911

论文第一/通讯作者简介

郑贤宏，男，工学博士，副教授，硕士生导师。美国The University of Texas at Dallas联培博士，合作导师为美国工程院院士Ray Baughman教授。2019年6月入职于安徽工程大学，从事智能可穿戴器件的相关研究，主要包括柔性超级电容器、电磁屏蔽、应变和压力传感器等。在上述领域以第一作者/通讯作者在Journal of Materials Chemistry A、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Materials & Design、Journal of Colloids and Interface Science、Composites Part A等国际期刊发表SCI论文18篇，其中包括中科院大类1区SCI论文10篇，中科院大类1区ESI高被引论文1篇，1区SCI封面论文1篇，目前主持安徽省自然科学基金项目1项，担任Advanced Functional Materials、Nano-Micro Letters、Journal of Materials Chemistry A、ACS Nano、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Journal of Cleaner Production、Advanced Materials Interfaces、iScience等10余个国际SCI期刊兼职审稿人。