哥伦比亚大学《AFM》：MXene/石墨烯超轻量级低温凝胶，用于电磁干扰屏蔽

成果简介

MXene与石墨烯冷冻凝胶因其卓越的导电性、低密度和通过众多内部界面消散电磁波的能力，已被证明具有出色的电磁干扰（EMI）屏蔽效果。然而，它们的合成需要成本高昂的还原技术和/或预处理方法，如冷冻铸造，以实现高电磁干扰屏蔽和机械性能。此外，关于优化冷凝凝胶微结构和孔隙率以提高EMI屏蔽效果同时降低材料消耗的研究也很有限。本文，哥伦比亚大学Stefan Wuttke、Masoud Soroush、Mohammad Arjmand等研究人员在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Ultra-Flyweight Cryogels of MXene/Graphene Oxide for Electromagnetic Interference Shielding”的论文，研究介绍了一种生产由 Ti3C2Tx/氧化石墨烯（GO）组成的超轻低温凝胶的新方法，这种凝胶具有多尺度孔隙率，可实现高性能 EMI 屏蔽。

该方法通过丝状结构液体的界面组装使用可控模板，这些丝状结构液体很容易转化为 EMI 低温凝胶。获得的超轻冷凝胶（(3–7 mg cm−3）具有出色的特定 EMI 屏蔽效果（33 000-50 000 dB cm2 g-1），同时无需进行化学或热还原。此外，当Ti3C2Tx/GO冷冻凝胶用作导电环氧树脂纳米复合材料的骨架时，可以实现卓越的屏蔽，在低填料负载（0.3–0.7 wt%）下产生31.7–51.4 dB的EMI屏蔽效果。总的来说，引入了一种独一无二的EMI屏蔽系统，该系统易于处理，同时提供可扩展性和性能。

图文导读

图1、 从液体模板到超轻质冷冻凝胶流程

图2、a) Ti3C2Tx/GO液体线形成示意图。b) Ti3C2Tx/GO 液体线形成过程中 NP-配体相互作用示意图。

图3、a-e) Ti3C2Tx/GO 蠕虫状冷凝胶的 FESEM 图像。f) Ti3C2Tx/GO 液体线的数字图像和 g) 展示这些结构缠结形态的相应显微镜图像。h,i) Ti3C2Tx/GO 蠕虫状冷凝胶的数字图像和 j) 展示这些结构缠结形态的相应显微镜图像。k) Ti3C2Tx、GO 及其由 Ti3C2Tx/GO 80wt%- 和 50wt%- 10 mg ml-1 悬浮液制备的冷凝胶的 X 射线衍射图和 l) 显微拉曼光谱分析。(h,i)、(f)、(a,g)、(b,j)、(c,d)和(e)中的刻度线分别对应 2 厘米、1 厘米、2 毫米、1 毫米、500 微米和 200 微米。

图4、a,b)通过 80wt%- 10 mg ml-1 和 80wt%- 5 mg ml-1 悬浮液制备的 Ti3C2Tx/GO 蠕虫状冷凝胶的电磁干扰屏蔽特性 c) Ti3C2Tx/GO 冷凝胶中从宏观到微观尺度的内部散射示意图 d) Ti3C2Tx/GO 蠕虫状冷凝胶的 SSE/t 与密度的关系与以往文献中的比较。e,f) 将环氧前驱体注入蠕虫状冷凝胶制备的 Ti3C2Tx/GO/epoxy 纳米复合材料的 EMI 屏蔽特性。母体冷凝胶由 80wt%- 10 mg ml-1 和 80wt%- 5 mg ml-1 的悬浮液制成。g) Ti3C2Tx/GO/epoxy 纳米复合材料的 SET 与填料负载量与以往文献中的比较。

小结

本研究提出了一种基于具有微观和宏观尺度孔隙率的 Ti3C2Tx/GO蠕虫状低温凝胶的经济有效的新方法。我们的方法利用 NPS 的界面干扰来稳定非极性介质中的 Ti3C2Tx/GO 水悬浮液。由此产生的丝状液体可用作超轻冷凝胶制造的模板。由此产生的结构可媲美甚至优于某些现有的最佳多孔 EMI 屏蔽层，而且还具有无需化学或热还原或预处理的重要额外优势。这包括卓越的 EMI 屏蔽效果、特定的 EMI 屏蔽效果和超低密度（分别为 44.7-69.2 dB、33 000-50 000 dB cm2 g-1 和 3-7 mg cm-3）。此外，当这些低温凝胶用作导电环氧纳米复合材料的骨架时，在 0.3-0.7 wt% 的低填充量下就能产生高效的 EMI 屏蔽。总之，我们的研究结果表明，液态模板为传统的气凝胶/冷凝凝胶预处理方法（如冷冻铸造、化学诱导组装和界面电化学自组装）提供了一种独特的替代方法，可以用较低的成本制造出具有多尺度孔隙率和较低密度的冷凝凝胶。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202304748