MXene及MXene改性以及在電磁屏蔽性能上的應用

唐婷婷　趙燕

關鍵詞：電磁屏蔽材料;電磁屏蔽原理;二維層狀材料;MXene;改性方法

隨著科技的發展，電子設備的廣泛使用使周圍的環境中充斥著電磁輻射，不僅會影響設備的正常使用，還會對人們的身體健康造成危害。因此，研發高性能的電磁屏蔽材料具有重要意義。

1 電磁屏蔽原理

電磁屏蔽材料的屏蔽機理如圖1所示，當電磁波與屏蔽層相互作用時，由于屏蔽層與空氣層之間的阻抗不匹配，一部分入射功率（PI）在材料正反兩面都會反射（PR）。由于衰減或傳輸（PT），剩余的功率被吸收或傳輸并作為屏蔽層內的熱能消散[1]。屏蔽層對入射電磁波的保護作用被定義為電磁干擾屏蔽效能（EMI SE），Schelkunoff理論[2]指出，電磁屏蔽效能是反射、吸收和多次反射的衰減之和，如下式所示：

SE_T（dB）=SE_R+SE_A+SE_M

1.1 反射損耗（SE_R）

反射是由具有不同阻抗或折射率的兩種傳播介質（例如空氣和屏蔽層）之間的界面或表面引起的，是主要的電磁屏蔽機制。對于高導電屏蔽層，從屏蔽層表面到背面的反射損耗大，SE_R隨著電導率的增大而增大，說明屏蔽材料的電導率必須較高才能實現較強的反射損耗。但電導率并不是影響反射損耗的唯一因素，屏蔽層的滲透率和電磁波的頻率也起作用。

1.2 吸收損耗（SE_A）

電磁波在有損介質（即屏蔽材料）中傳播時被吸收，良好的吸收損耗需要高導電性的歐姆損耗，增大互動的高電子密度和入射電磁波，較大的介電常數和介電損耗以及磁滯損耗和渦流損耗有關的磁導率對導電屏蔽層、材料的厚度和電導率對吸收的影響較大，而決定吸收損耗大小的是介電常數和磁導率。

1.3 多重反射（SE_M）

在一個薄膜狀的屏蔽材料中，由于多次反射，來自后表面的反射影響最后的傳輸，因為反射的輻射在前表面再次反射，促成了第二次傳輸。上述過程可以重復，直到波的能量完全耗散，當SE_T>10 dB時，忽略不計。

2 二維層狀材料MXene簡介

2004年成功剝離石墨烯材料后，多種二維材料在實驗中被成功制備出來，MXene作為二維過渡金屬碳/氮化物，憑借優異的物理和電化學性質引起了廣泛關注，是當前國內外研究的熱點。MXene一般是由具有密實層狀結構的MAX相材料制備的，首次成功制備二維MXene相納米材料是在2011年，Naguib等[3]在室溫條件下，利用HF選擇性蝕刻Ti₃AlC₂中的Al原子層，制備出手風琴狀的Ti₃C₂，經剝離后的MXene具有和石墨烯類似的層狀結構，是極具研究價值和潛力的二維材料。化學通式為M_n+1X_nT_x（n=1、2和3），其中，M代表過渡金屬（如Ti、V、Mo和Zr等），X代表C或者N，Tx代表表面基團，如—OH、—O和—F（見圖2）。2014年，Ghidiu等[4]使用LiF和HCl的混合溶液替代危險性較大的HF蝕刻Ti₃AlC₂獲得MXene-Ti₃C₂T_x。LiF和HCl蝕刻劑處理MAX有助于Li⁺離子在蝕刻過程中的預嵌入，削弱層間的相互作用并增大MXene的層間距[5]。

3 二維層狀材料MXene的改性方法

通過對MXene進行改性可防止MXene納米片的自堆積，產生的多孔結構促進了電解質的運輸和離子的進入，提高了MXene的物理化學性能。目前，主要通過水熱法、自組裝法對MXene進行改性，使改性后的MXene集成兩種材料的獨特優點。Shahzad等[6]用水熱法在MXene-Ti₃C₂Tx納米片表面沉積Fe₂O₃納米顆粒，成功獲得了具有磁性的改性MXene納米復合材料，在廢水處理中用于吸附重金屬Hg。靜電自組裝法也是材料改性制備復合材料的一種重要方法。Sun等[7]通過在帶正電荷聚苯乙烯微球（PS）上靜電自組裝帶負電荷的MXene納米片，再壓縮成型得到MXene@PS納米復合材料，有效防止二維納米片MXene的聚集和自堆積。

4 二維層狀材料MXene在電磁屏蔽領域的應用

目前，根據國內外關于二維層狀MXene相材料的文獻報道，基于MXene的材料已經在各領域被廣泛應用，其中，在電磁屏蔽領域取得了不錯的研究進展。2016年，Shahzad等[8]首先報道了MXene薄膜在電磁屏蔽領域的應用，將MXene與海藻酸鈉混合，通過真空抽濾的方法制備具有層狀結構的電磁屏蔽薄膜。將MXene和高分子聚合物復合，通過熱壓法制備MXene復合薄膜材料是一個不錯的方法，操作簡單、方便快捷。本團隊即將發表的成果是以絕緣的材料聚丙烯為基體，將修飾后的MXene作為導電填料嵌入其中，通過熱壓的方法制備柔性MXene復合薄膜材料，使其內部形成網絡狀導電通路，形成高效的電磁屏蔽性能，同時具有優異的阻燃性能。

相較于疏水性的石墨烯材料和比表面積較小的其他碳基材料，二維層狀材料MXene-Ti₃C₂Tx的導電性能優良、比表面積較大且含有大量親水性基團。隨著MXene越來越受研究者的青睞，以MXene為導電材料的研究設計為后續研究電磁屏蔽材料提供了靈感。