北化大于中振教授和张好斌教授团队ACS AMI： 轻质、超弹性多功能MXene/CNT气凝胶用于高效电磁屏蔽

北京化工大学于中振教授、张好斌教授团队展示了一种有效的方法来提高MXene基气凝胶的弹性，同时保持其高导电性和低密度特性。基于MXene纳米片与酸化碳纳米管（aCNT）的协同作用，通过定向冷冻和后续冷冻干燥构建了具有类爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向异性气凝胶。MXene纳米片构建了各向异性多孔骨架，而aCNTs像爬山虎一样牢牢地抓住MXene纳米片形成的孔壁，不仅提升了MXene基气凝胶的强度，还实现了气凝胶的超轻性和超弹性。同时，高导电骨架、多孔结构以及MXene和aCNT上丰富的可极化中心赋予了气凝胶极高的电磁屏蔽性能。此外，定向多孔的全无机骨架不仅使得MXene/aCNT各向异性气凝胶具有良好的隔热性能，还可以经受极端温度（-196~300℃）环境而不会发生脆断或融化，仍然保持很好的压缩回弹性。这些特性使该气凝胶有望应用于热敏感电子器件的隔热、缓震、电磁干扰防护等领域。

本文亮点

1. 受爬山虎植物的启发构建了一维酸化碳纳米管/二维MXene纳米片协同增强的轻质、高导电、超弹性的各向异性MXene/酸化碳纳米管气凝胶（MCA）；

2. 解决了MXene气凝胶在超低密度下难以兼具高弹性和高导电的问题，添加5 wt %酸化碳纳米管的MCA便可以实现超弹性、塑性形变小、抗疲劳压缩性能好等优点，其密度可以低至9.1 mg cm⁻³，电导率为447.2 S m^-1,与石蜡复合后其在X波段的EMI屏蔽性能超过51 dB。而当MCA密度增至18.2 mg cm⁻³时，电磁屏蔽性能平均可达90 dB。

3. 更有意义的是，与商业隔热泡沫相比，MCA具有更好的保温能力，而且能够耐受在300 ℃高温和液氮（-196 ℃）超低温环境，仍保持良好的弹性。

图1 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)合成流程图及(d-g)其多功能展示。

图2 MXene/酸化碳纳米管(a-b)基元及其气凝胶的(d-g)形貌和(h-i)结构性质表征。

图3 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)首次压缩回弹测试分析和(d-f)抗压缩疲劳测试及(g)弹性机理。

图4 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a, b)电学性能、(c-e)电磁屏蔽性能和(f)屏蔽机理。

图5 MXene/酸化碳纳米管气凝胶的(a-c)隔热性能以及其在(d)高温和(e)超低温环境下的压缩回弹性能展示。

相关成果以“Superelastic, ultralight, and conductive Ti3C2Tx MXene/acidified carbon nanotube anisotropic aerogels for electromagnetic interference shielding”为题发表在ACS Appl. Mater. Interfaces（10.1021/acsami.1c02059）。论文的第一作者为博士生邓志明，通讯作者为张好斌教授和于中振教授。该论文得到了国家自然科学基金和中央高校基础研究基金的资助。

原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c02059

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