Nano Res.│江南大学刘天西课题组：超薄柔性抗氧化MXene/石墨烯基电磁屏蔽多孔薄膜材料

背景介绍

MXene作为一类新型二维材料，由于其具有极高的比表面积、优异的亲水性和金属般的电导率，其在电磁屏蔽领域得到了广泛研究与应用。然而，由于MXene表面极性官能团（-F、-OH）的存在，其在空气和潮湿环境下极易发生氧化，这将导致其电磁屏蔽性能快速衰退。通常，采用聚合物材料对MXene进行封装被视为是一种有效抑制MXene氧化的手段，但这也不可避免地导致材料密度增加，使得最终制品的电磁屏蔽比效能（SSE/t）降低。因此，如何在增加MXene稳定性的同时获得低密度来增加SSE/t就变得尤为重要。

成果简介

江南大学化学与材料工程学院刘天西教授课题组报道了一种超薄、柔性、抗氧化的MXene/石墨烯基电磁屏蔽多孔薄膜材料。首先，通过聚乙烯亚胺（PEI）对MXene进行修饰，经修饰后的MXene呈现电正性，能够与氧化石墨烯（GO）进行静电自组装，之后通过流延成膜和H₂/Ar氛围下热退火工艺得到MXene/石墨烯（M-rGX）多孔薄膜材料。研究发现，与纯MXene相比，多孔结构的引入极大的降低了材料的密度和增加了入射电磁波在材料内部的多重反射/散射，并且M-rGX多孔膜随着GO含量的增加，其泡沫化程度也随之增加，当GO含量为15 wt%时，M-rG15的密度和比效能分别可达0.41 g·cm^-3和76422dB·cm²·g^-1（厚度：15 μm），明显优于已报到的同类材料。更重要的是，通过H₂/Ar氛围热退火工艺能够有效去除MXene表面的极性官能团，成功赋予MXene以优异的稳定性和抗氧化性；在空气环境下放置12个月后，其电磁屏蔽性能仍然能够得到很好的保持。如此优异的综合性能与超低密度、超薄厚度、柔性和抗氧化性相结合，使其有望成为一种具有明显竞争优势的高效电磁屏蔽材料。

图文导读

图1. (a) MXene/石墨烯（M-rGX）多孔薄膜的制备过程。

图2.（a）MXene、（b）GO、（c）M-G5、（d）MX、（e）rGO、（f）M-rG5的横截面SEM图像；（g-i）M-rG5中C、O和Ti元素的EDS图像。

图3.厚度为15μm的多孔薄膜的（a）电导率、（b，c）EMISE、（d）密度和SSE/t；不同厚度的M-rG5的（e） EMISE、（f）密度和SSE/t；（g）多孔薄膜电磁屏蔽机理示意图；（h）EMI屏蔽材料的密度、厚度、SE、SSE、SSE/t综合性能对比图。

图4. （a）空气环境条件下MXene、MX和M-rG5电导率的变化；在12个月前后检测M-rG5（b）电导率，（c，d）EMI SE，（e）密度和SSE/t变化；（f） MXene、MX、M-G5和M-rG5的接触角图像。

作者简介

刘天西，江南大学“至善特聘教授”，博士生导师。英国皇家化学会会士、国家杰出青年基金获得者、无锡市“太湖人才计划”-创新领军人才团队、上海市领军人才、上海市优秀学术带头人、上海市曙光学者、教育部新世纪优秀人才、上海市青年科技启明星及其跟踪计划获得者。入选2016年江苏省“双创计划”人才（企业创新类）。主要从事高分子纳米复合材料、气凝胶功能复合材料、复合材料3D打印、纳米纤维复合材料、新能源材料与器件等研究工作。近年来，率领团队在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.等学术期刊发表SCI论文400余篇，他引20000余次，H指数=81；2016、2017、2018连续3年入选英国皇家化学会（RSC）材料科学“Top 1%高被引学者”；2018年入选科睿唯安“全球高被引科学家”（材料科学）；2018~2021连续4年入选爱思唯尔“中国高被引学者”（材料科学、化学工程与技术）；2020年获上海市自然科学二等奖（排名第一）；获授权发明专利50余项；出版中、英文专著各一部；先后承担十余项省部级以上科研项目。目前担任Compos. Commun.共同主编、Adv. Fiber Mater.副主编、Funct. Compos. Mater.副主编、教育部科技委交叉科学与未来技术专委会委员、中国复合材料学会纳米复合材料分会主任、导热复合材料分会副主任、超细纤维复合材料分会副主任。

王子成，江南大学副教授，硕士生导师。江苏省“双创人才计划”-双创博士（2020）。主要从事高分子纳米复合材料在电磁防护领域的应用研究。通过在微观尺度上的结构设计和形貌调控以实现聚酰亚胺气凝胶/泡沫/纤维复合材料对于电磁污染或电磁干扰的有效耗散。迄今以第一作者/通讯作者在ACS Appl. Mater. Interfaces、Carbon、J. Mater. Chem. C、J. Mater. Sci. Technol.等期刊发表SCI论文十余篇；以项目负责人主持国家自然科学青年基金项目、中国博士后科学基金面上项目、江苏省“双创计划”-双创博士、江南大学自主科研计划青年基金项目等，申请中国发明专利6项，授权3项，申请PCT专利1项。

唐新伟，江南大学化学与材料工程学院2020级硕士研究生，主要研究方向为电磁防护材料。

课题组网站：http://liutianxi.jiangnan.edu.cn/index.htm

文章信息

X. Tang, J. Luo, Z. Hu, et al. Ultrathin, flexible, and oxidation-resistant MXene/graphene porous films for efficient electromagnetic interference shielding. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4841-1.