寧波材料所在MXene/Graphite異質(zhì)結(jié)構(gòu)吸波材料研發(fā)方面取得進展
二維層狀過渡金屬碳化物納米片（MXene）材料由美國Drexel大學(xué)的Michel Barsoum和Yury Gogotsi教授團隊首次發(fā)現(xiàn)，其所具有的高比表面積、良好的導(dǎo)電性和親水性，使該類材料在儲能、催化、壓敏、柔性器件及功能增強復(fù)合材料等方面擁有廣闊的應(yīng)用前景。其中，Ti3C2材料由于其類金屬特性與高電導(dǎo)率，表現(xiàn)出了十分優(yōu)異的電磁屏蔽效能。然而，MXene材料的吸波性能卻并不理想，這主要與該類二維材料和電磁波的相互作用機制與阻抗匹配能力相關(guān)。研究表明，通過對吸波材料進行表面改性以及對其微結(jié)構(gòu)進行特殊設(shè)計，能夠有效誘發(fā)界面極化、多重反射吸收等電磁波損耗機制，進而顯著提升該類材料的吸波性能。因此，開展對MXene微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計是開發(fā)出新穎的輕量化、寬頻帶、高吸收率吸波材料的有效途徑。
近期，寧波材料所黃慶研究員團隊的研究人員利用二維納米材料c平面高導(dǎo)電的特性，設(shè)計制備了具有c平面取向相互垂直的MXene/Graphite異質(zhì)結(jié)構(gòu)特征的納米吸波材料。通過以鱗片石墨（Graphite）為模版，利用低溫熔鹽合成技術(shù)，首先合成出Graphite/TiC/Ti3AlC2（G/TiC/Ti3AlC2）復(fù)合結(jié)構(gòu)；隨后對Ti3AlC2中的Al元素進行選擇性刻蝕，并得到了Graphite/TiC/Ti3C2（G/TiC/Ti3C2）異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。微結(jié)構(gòu)分析表明，G/TiC/Ti3C2異質(zhì)結(jié)中的Ti3C2納米片，其c平面均豎直生長在Graphite/TiC基底上，形成了類似魚鱗結(jié)構(gòu)的納米構(gòu)筑。其相關(guān)性能測試顯示，具有魚鱗結(jié)構(gòu)的G/TiC/Ti3C2表現(xiàn)出了較高的介電損耗和吸波能力：G/TiC/Ti3C2在X波段（8-12GHz）的最低反射系數(shù)可達-63dB，有效吸波帶寬可達3.5GHz，其吸波性能遠(yuǎn)優(yōu)于單相Ti3C2的MXene材料。另外，研究人員發(fā)現(xiàn)通過簡單混合方式所獲得的MXene/Graphite材料均不能達到吸波增強效果。
進一步分析表明，由于Graphite、TiC和Ti3C2在電子能帶結(jié)構(gòu)與介電性能方面的差異，在Graphite/TiC/Ti3C2界面處能夠形成了大量的納米界面異質(zhì)結(jié)，進而阻礙電子在復(fù)合結(jié)構(gòu)中的有效遷移。在電磁波的作用下，二維材料表面激發(fā)出的大量電荷在界面異質(zhì)結(jié)處聚集，形成空間電荷極性區(qū)；該空間電荷極性區(qū)能夠?qū)﹄娮舆w移形成散射效應(yīng)，從而顯著增強電磁波功率在該復(fù)合材料上的耗散。
另外，鱗片狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了Graphite和MXene二維材料的高導(dǎo)電c平面相互垂直，從而能夠?qū)崿F(xiàn)最大效率的同電磁波相互協(xié)同作用。以上工作不僅為設(shè)計制備應(yīng)用于電磁波吸收的MXene納米復(fù)合材料提供了一種全新的策略，也對MXene納米復(fù)合材料在儲能、催化等領(lǐng)域的設(shè)計制備具有一定的啟示作用。相關(guān)工作發(fā)表在Adv. Electron. Mater. (DOI:10.1002/aelm.201700617)上。
MXene/Graphite異質(zhì)結(jié)構(gòu)的微觀形貌及其在X波段的吸波性能
（黃慶研究員團隊 李勉）