中国舰船研究设计中心等：综述-MXene和石墨烯基气凝胶的制备方法、进展、持续挑战和未来前景

成果简介

对于解决日益严重的电磁污染问题，需要具有低密度、高机械强度和有效 EMI 屏蔽能力的高性能电磁干扰 （EMI） 屏蔽材料。三维气凝胶，由二维过渡金属碳化物和/或 氮化 物 （MXenes）或石墨烯纳米片在EMI屏蔽方面表现出巨大的潜力。这些材料的特点是重量轻、机械性能卓越、导电性好、比表面积大，并具有仿生排列多孔结构的额外优势，可显著提高 EMI 屏蔽性能。

本文，中国舰船研究设计中心Long Xiao 、山东大学曾志辉 教授等在《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》期刊发表名为“From 2D graphene and MXene nanolayers to 3D biomimetic porous composite aerogels for electromagnetic interference shielding”的综述，重点介绍了近年来在MXene或石墨烯基复合气凝胶中设计仿生单向孔结构的研究，推动了轻质EMI屏蔽的发展。我们全面总结了MXene和石墨烯基气凝胶的制备方法、进展、持续挑战和未来前景。这为未来开发基于气凝胶的高性能EMI屏蔽提供了有价值的指导。

图文导读

2.1 EMI屏蔽机理

EMW 由振荡电场和磁场组成，因此可以通过阻挡这些磁场中的任何一个来实现 EMI 屏蔽。从静电场屏蔽、磁场屏蔽和电磁场屏蔽的角度来看EMI屏蔽，揭示了多种机制。其中，最广泛接受的EMI屏蔽机制是基于传输线理论和Schelkunoff理论。如图 2 所示，当 EMW 从自由空间（空气）过渡到 EMI 屏蔽表面时，空气和 EMI 屏蔽材料之间存在明显的阻抗不匹配，导致大多数 EMW 立即反射回自由空间。其余设法穿透 EMI 屏蔽的 EMW 会衰减。最终，只有少数 EMW 以透射波的形式成功通过 EMI 屏蔽。

图2.EMI屏蔽示意图。

2.2 MXene基对齐孔结构材料

基于MXene的多孔泡沫和气凝胶因其重量轻、孔隙率高、密度低和足够的导电性而引起了人们的极大兴趣。

图3：（a）制备三维 CMP/CS 复合材料的示意图；（b）CS（升降台）和 CMP/CS 复合材料（右侧）的扫描电镜图像；（c）CMP/CS 复合材料的导电性和（d）EMI SE。(e) MXene 气凝胶/WPC 复合材料的电导率，(f) MXene 气凝胶/WPC 复合材料墙壁的 “灰泥砖 “结构照片和 SEM 图像，(g) MXene 气凝胶/WPC 复合材料与 WPC-1500 的 EMI SE 值比较。(h) 电阻率和 (i) 总 EMI SE (SET)，以及 (j) 二面角为 90°、45° 和 0° 的 T-M@wood 的 SEA 和 SE

2.3 石墨烯基对齐孔结构材料

为了完成二维纳米填料的受控组装，以便将其出色的性能完全转化为多孔结构，已经开发了许多新技术。由于石墨烯和MXene具有可比的二维几何形状，因此最初设计用于制造多孔MXene结构的大多数技术也可以很容易地扩展到石墨烯。然而，石墨烯和MXene片之间的一些明显差异，如官能团和纵横比，需要对单个填料的加工参数进行一些微调，以实现所需的微观结构。由于其相当高的导电性和较大的比表面积，二维石墨烯被认为是一种很有前途的EMI屏蔽材料。通过水热自组装和冷冻干燥等工艺，石墨烯及其氧化类似物（GO和rGO）可以很容易地构建各种多孔结构，降低EMI屏蔽的密度，增强EMW的多重反射。特别是，定向多孔结构可以在材料中诱导各向异性，这已被证明有利于进一步增强EMI屏蔽能力。

图4.（a） 层状石墨烯气凝胶和 （b） NiCo@rGO/单壁碳纳米管 （SWNT） 气凝胶的合成过程示意图。

小结与展望

基于MXene的EMI屏蔽材料具有排列的多孔结构，已显示出令人鼓舞的进步，但与氧化、团聚和高生产成本相关的挑战继续限制其广泛应用。另一方面，石墨烯基气凝胶具有优异的导电性和低密度，为各种应用提供了具有竞争力的替代品。当与排列的孔隙结合使用时，石墨烯基气凝胶由于其结构各向异性，可以实现增强和可调的EMI屏蔽性能。

然而，在创造具有对齐孔隙的高性能MXene和石墨烯基材料的道路上仍然存在一些障碍。首先，MXene和石墨烯的凝胶化能力都很弱，因此单独使用它们来创建定向结构具有挑战性。即使形成了这样的结构，它们也往往是脆性的，容易损坏，这阻碍了这些材料的发展。因此，材料复合材料对于MXene和石墨烯的普及至关重要，尤其是与聚合物的结合，可以有效增强材料的力学性能。其次，MXene在环境条件下容易氧化，导致其导电性迅速恶化，EMI屏蔽性能严重减弱。因此，提高MXene的可靠性和稳定性对于MXene基各向异性多孔材料的开发至关重要。第三，由于制造过程的限制，大多数石墨烯气凝胶实际上是由GO纳米片构成的。这损害了材料的导电性，虽然可以通过热还原和化学还原来改善，但这些程序也可能损坏气凝胶结构。

因此，开发具有高导电性和稳定结构的取向多孔石墨烯气凝胶是未来的重点研究目标。最后，与MXene和石墨烯生产相关的高制造成本阻碍了大规模生产和应用。找到经济的合成路线对于使这些材料更容易被各个行业所接受至关重要。应对这些挑战对于推进用于EMI屏蔽及其他领域的对齐孔MXene和石墨烯基材料的开发和应用至关重要。因此，MXene基和石墨烯基材料的研究仍有很大的创新和发展空间。我们希望，我们已经提供了对MXene、石墨烯及其相应复合材料的基本理解，以在不久的将来实现现代电子目标。

文献：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107939