二維層狀過渡金屬碳化物納米片（MXene）材料由美國Drexel大學的Michel Barsoum和Yury Gogotsi教授團隊首次發現，其所具有的高比表面積、良好的導電性和親水性，使該類材料在儲能、催化、壓敏、柔性器件及功能增強復合材料等方面擁有廣闊的應用前景。其中，Ti₃C₂材料由于其類金屬特性與高電導率，表現出了十分優異的電磁屏蔽效能。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。研究表明，通過對吸波材料進行表面改性以及對其微結構進行特殊設計，能夠有效誘發界面極化、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微觀結構的設計是開發出新穎的輕量化、寬頻帶、高吸收率吸波材料的有效途徑。

近期，寧波材料所核能材料工程實驗室（籌）的研究人員利用二維納米材料c平面高導電的特性，設計制備了具有c平面取向相互垂直的MXene/Graphite異質結構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，首先合成出Graphite/TiC/Ti3AlC2（G/TiC/Ti₃AlC₂）復合結構；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）異質結結構。微結構分析表明，G/TiC/Ti₃C₂異質結中的Ti₃C₂納米片，其c平面均豎直生長在Graphite/TiC基底上，形成了類似魚鱗結構的納米構筑。其相關性能測試顯示，具有魚鱗結構的G/TiC/Ti₃C₂表現出了較高的介電損耗和吸波能力：G/TiC/Ti₃C₂在X波段（8-12GHz）的最低反射系數可達-63dB，有效吸波帶寬可達3.5GHz，其吸波性能遠優于單相Ti3C2的MXene材料。另外，研究人員發現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在電子能帶結構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結，進而阻礙電子在復合結構中的有效遷移。在電磁波的作用下，二維材料表面激發出的大量電荷在界面異質結處聚集，形成空間電荷極性區；該空間電荷極性區能夠對電子遷移形成散射效應，從而顯著增強電磁波功率在該復合材料上的耗散。

另外，鱗片狀結構實現了Graphite和MXene二維材料的高導電c平面相互垂直，從而能夠實現最大效率的同電磁波相互協同作用。以上工作不僅為設計制備應用于電磁波吸收的MXene納米復合材料提供了一種全新的策略，也對MXene納米復合材料在儲能、催化等領域的設計制備具有一定的啟示作用。相關工作發表在Adv. Electron. Mater. (DOI:10.1002/aelm.201700617)上。

MXene/Graphite異質結構的微觀形貌及其在X波段的吸波性能

來源：中國科學院寧波工業技術研究院（籌）