宁波材料所在MXene/Graphite异质结构吸波材料研发方面取得进展

二维层状过渡金属碳化物纳米片（MXene）材料由美国Drexel大学的Michel Barsoum和Yury Gogotsi教授团队首次发现，其所具有的高比表面积、良好的导电性和亲水性，使该类材料在储能、催化、压敏、柔性器件及功能增强复合材料等方面拥有广阔的应用前景。其中，Ti₃C₂材料由于其类金属特性与高电导率，表现出了十分优异的电磁屏蔽效能。然而，MXene材料的吸波性能却并不理想，这主要与该类二维材料和电磁波的相互作用机制与阻抗匹配能力相关。研究表明，通过对吸波材料进行表面改性以及对其微结构进行特殊设计，能够有效诱发界面极化、多重反射吸收等电磁波损耗机制，进而显著提升该类材料的吸波性能。因此，开展对MXene微观结构的设计是开发出新颖的轻量化、宽频带、高吸收率吸波材料的有效途径。

近期，宁波材料所核能材料工程实验室（筹）的研究人员利用二维纳米材料c平面高导电的特性，设计制备了具有c平面取向相互垂直的MXene/Graphite异质结构特征的纳米吸波材料。通过以鳞片石墨（Graphite）为模版，利用低温熔盐合成技术，首先合成出Graphite/TiC/Ti3AlC2（G/TiC/Ti₃AlC₂）复合结构；随后对Ti₃AlC₂中的Al元素进行选择性刻蚀，并得到了Graphite/TiC/Ti₃C₂（G/TiC/ Ti₃C₂）异质结结构。微结构分析表明，G/TiC/Ti₃C₂异质结中的Ti₃C₂纳米片，其c平面均竖直生长在Graphite/TiC基底上，形成了类似鱼鳞结构的纳米构筑。其相关性能测试显示，具有鱼鳞结构的G/TiC/Ti₃C₂表现出了较高的介电损耗和吸波能力：G/TiC/Ti₃C₂在X波段（8-12GHz）的最低反射系数可达-63dB，有效吸波带宽可达3.5GHz，其吸波性能远优于单相Ti3C2的MXene材料。另外，研究人员发现通过简单混合方式所获得的MXene/Graphite材料均不能达到吸波增强效果。

进一步分析表明，由于Graphite、TiC和Ti₃C₂在电子能带结构与介电性能方面的差异，在Graphite/TiC/ Ti₃C₂界面处能够形成了大量的纳米界面异质结，进而阻碍电子在复合结构中的有效迁移。在电磁波的作用下，二维材料表面激发出的大量电荷在界面异质结处聚集，形成空间电荷极性区；该空间电荷极性区能够对电子迁移形成散射效应，从而显著增强电磁波功率在该复合材料上的耗散。

另外，鳞片状结构实现了Graphite和MXene二维材料的高导电c平面相互垂直，从而能够实现最大效率的同电磁波相互协同作用。以上工作不仅为设计制备应用于电磁波吸收的MXene纳米复合材料提供了一种全新的策略，也对MXene纳米复合材料在储能、催化等领域的设计制备具有一定的启示作用。相关工作发表在Adv. Electron. Mater. (DOI:10.1002/aelm.201700617)上。

MXene/Graphite异质结构的微观形貌及其在X波段的吸波性能

来源：中国科学院宁波工业技术研究院（筹）