东南大学孙正明等：构建多功能MXene/C气凝胶，用于增强微波吸收和隔热性能

图1. MXene/C气凝胶制备工艺示意图。

如图2a所示，MXene/C气凝胶具有极低的密度(0.02-0.05g/cm³)。利用XRD、Raman、XPS等测试对MXene/C气凝胶的物相结构、化学组成等进行系统表征。XRD图谱(图2b)结果表明将二维MXene纳米片卷曲成一维纳米纤维可以有效抑制MXene片层的堆叠。在Raman光谱图(图2c)中，MC-1气凝胶的D峰和G峰分别位于1344和1572 cm⁻¹，其ID/IG值(1.09)与CNF相似，这表明MXene的引入并没有改变CF的石墨化程度。MXene/C气凝胶的XPS谱图(图2d)显示其主要由C、Ti、O和F元素组成，这与MXene的组分一致。

图2. (a) MXene/C气凝胶放置在樱花上的数字图像；(b) 样品的XRD图谱及局部放大图像；(c) CNF和MC-1气凝胶的拉曼光谱图；(d) MXene和MC-1的XPS光谱。

从图3(a-c)可以看出由于MXene纳米片在纺丝过程中发生卷曲，纤维表面产生明显的褶皱。此外，MXene/C纳米纤维的直径随着MXene含量的增加而减小，MC-3纤维的最小直径在100 nm左右。在HRTEM图像中(图3g)，可以观察到宽度为0.24 nm和0.22 nm的清晰晶格条纹，分别对应于MXene (103)和carbon (100)平面。结合元素分布图(图3e和f)，进一步表明MXene/C纳米纤维的主要成分是Ti₃C₂Tₓ MXene和碳。此外，纤维中存在着大量异质界面(晶体/非晶态界面)和晶格缺陷(如晶格畸变、不连续晶格条纹和点缺陷)。这些区域的晶格周期性被打乱，导致电荷分布不均匀和空间电荷区域改变，将有助于产生大量的界面极化和电磁损耗。

图3. (a) MC-1，(b) MC-2和 (c) MC-3气凝胶的SEM图像；(d) MC-1气凝胶的TEM图，(e, f) 元素分布图；(g) MC-1气凝胶HRTEM图像。

II 力学性能

如图4a所示，MC-2气凝胶在20%、40%、60%和80%压应变下的抗压应力分别为0.56、1.47、4.41和15.19 kPa。图4c显示了MC-2气凝胶在20%、40%、60%和80%压缩应变下的实时电流响应，电流响应曲线呈现稳定的周期性变化。特别是在60%压应变下循环20次时，电流随应力的完美周期性变化(图4d)表明其具有优异的抗疲劳性能，进一步证明了其三维网络结构的稳定性。如图4e所示，MC-2气凝胶在0-15.19 kPa的压力范围内线性灵敏度可达73.98 kPa⁻¹，展现出良好的应变传感性能。

图4. (a) 应力-应变曲线；(b) MXene/C纳米纤维对外部应力的响应机理示意图；(c) 不同应变下的电流响应；(d) 电流在应力作用下的同步响应；(e) 线性灵敏度(工作压力范围0-15.19 kPa)。

III 微波吸收性能

图5展示了MXene/C气凝胶的微波吸收性能。与CNFs和纯MXene相比，MXene/C气凝胶表现出优越的微波吸收性能。MC-1气凝胶在8.24 GHz频率下，在2.8 mm处的RLmin=-40.73 dB，在2.70 mm处的EAB为5.28 GHz (7.44 GHz-12.72 GHz)，覆盖整个X波段。同样，MC-2气凝胶在9.28 GHz时，在2.3 mm处的RLmin= -51.55 dB，而在2.4 mm处的EAB为4.72 GHz。其中MC-3气凝胶的RLₘᵢₙ值最小，在9.28 GHz时的RLmin值为-53.02 dB，匹配厚度为3.8 mm。如图5g所示，与先前报道的MXene基微波吸收材料相比，MXene/C气凝胶表现出优异的微波吸收性能。

图5. MXene/C气凝胶的三维反射损耗图：(a) MC-1，(b) MC-2和 (c) MC-3；MXene/C气凝胶的二维带宽图：(d) MC-1，(e) MC-2和 (f) MC-3；(g) 典型MXene基吸波材料的微波吸收性能对比；MXene/C气凝胶的 (h) Cole-Cole圆和 (i)衰减常数。

IV 电磁吸收机理

图6展示了MXene/C气凝胶的微波吸收机制。具有丰富空隙的三维导电网络，优化了材料的阻抗匹配，并显着延长了微电流的传输路径，增强对电磁波的电导损耗。气凝胶中纳米纤维表面和嵌入的MXene纳米片还可实现对电磁波多重反射损耗。通过将MXene纳米片卷曲成一维纳米纤维，有效抑制MXene纳米片的自堆积。因此，MXene纳米片可更均匀地与碳复合，形成大量的MXene/碳异质结，这将有助于增强界面极化。此外，MXene表面丰富的官能团和纤维中的碳缺陷也有助于产生偶极子极化，实现对电磁波的有效吸收。因此，得益于其独特的结构设计和组分协同效应，MXene/C气凝胶表现出优异的吸波性能。

图6. MXene/C气凝胶的微波吸收机理示意图。

V 隔热性能

MC-3气凝胶红外图像(图7 a-k)显示，连续加热30 min过程中其表面温度逐渐升高。30 min后，气凝胶表面与气凝胶热板的温差均大于30 ℃(图7 h)，隔热性能优异。此外，热红外图像(图7i)显示，气凝胶的上表面呈现深色并始终与周围环境完美融合，表明其在热红外隐身领域也极具潜力。

图7. (a-g) MC-3气凝胶在30 min内拍摄的热红外图像；(h) 放置在82℃加热板上的气凝胶表面温度变化曲线；(i) MC-3气凝胶放置在手上的热红外图像。

吴福硕

本文第一作者

东南大学 博士研究生

▍主要研究领域

(1)高性能电磁屏蔽及吸波材料；(2)热障涂层材料。

张培根
本文通讯作者

东南大学 副教授

▍主要研究领域

先进陶瓷材料、二维材料、气凝胶热管理材料、电子互连材料可靠性、电磁防护材料等领域。

▍主要研究成果

在Acta Materialia，Adv Mater，NML，JMS&T等国际知名杂志上发表SCI论文53篇，被引2500余次，H因子29，授权发明专利6项。主持国家自然科学基金2项、省自然科学基金1项，参与国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目各1项。与企业合作开发的MAX相衍生低维材料已用于汽车摩擦片，并荣获2021年度江苏省科技三等奖；入选东南大学至善青年学者、江苏省第六期“333高层次人才培养工程”以及江苏省科技副总等人才支持。

▍Email：zhpeigen@seu.edu.cn

孙正明

本文通讯作者

东南大学 首席教授

▍主要研究领域

金属、陶瓷、金属间化合物、复合材料等在结构、热电转换、储氢、储能等领域的基础与应用。

▍主要研究成果

东南大学首席教授，国家特聘专家，历任东南大学材料科学与工程学院学术委员会主任、院长，现任学院党委书记、中国材料研究学会理事、中国复合材料学会理事、江苏省材料学会副会长，兼任华润水泥技术有限公司研发中心学术委员会主任等职。长期从事纳米材料、能源与环境材料的应用基础研究，主持完成国家重点研发项目课题、国家自然科学基金重点项目、面上项目、江苏省双创团队及人才等项目。发表SCI论文300多篇(被引9438次，H因子54)，授权发明专利30 余项。获中国侨界贡献奖、江苏省教学成果奖、江苏省科学技术奖、中国复合材料学会科学技术奖等。

▍Email：zmsun@seu.edu.cn

撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

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