三维多孔MXene材料的构筑及其太赫兹屏蔽性能研究

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太赫兹技术因其在许多前沿领域的潜在应用而受到广泛关注。随着太赫兹器件的快速发展,由于在复杂系统中管理电磁辐射发射和干扰的迫切需要,太赫兹电磁干扰屏蔽材料变得越来越重要。尽管在减轻千兆赫(GHz)辐射污染方面进行了广泛的研究,但很少有高性能太赫兹屏蔽材料的相关报道。为了满足日益流行的便携式和可穿戴设备的要求,低密度、超薄、柔性、甚至可折叠性的太赫兹屏蔽材料的研究变得至关重要。设计三维多孔结构已被证明是大幅降低密度和通过促进内部多散射改善电磁干扰屏蔽性能,以进一步衰减入射微波的有效方式。MXene由于其丰富的表面化学性质和优越的金属导电性能,使其在电磁干扰屏蔽领域受到重视。然而,用于电磁干扰屏蔽的三维MXene材料由于刚性MXene之间的相互作用较弱,导致结构稳定性较差,机械柔性有限从而限制了其在太赫兹屏蔽领域的应用。因此,急需寻求高效可控的技术来获得稳定性强,机械柔性较强的自支撑三维多孔MXene泡沫材料。针对以上问题,本论文提出一种高效且可控的金属离子扩散诱导凝胶化方法,用于制造自支撑、轻质、可折叠且高度稳定的MXene泡沫材料,内部取向多孔结构和较高的导电性使其具有良好的太赫兹屏蔽性能。本文主要内容和创新点如下:(1)利用金属箔在酸性MXene与氧化石墨烯分散液中自动释放出多价金属离子,实现金属离子诱导凝胶化,其中MXene被多价金属离子和少量氧化石墨烯有效地交联形成取向的单元连通多孔结构。该方法高效可控,可扩展生成具有任意形状和协同特性的功能性三维多孔MXene材料。独特的交联多孔结构赋予轻质MXene泡沫以良好的可折叠性,在潮湿环境中具有出色的耐久性和稳定性。同时,由于精心设计的多孔结构和适中的导电性,使得三维多孔MXene与少量氧化石墨烯复合泡沫在85μm的小厚度和0.11 g cm-3的低密度下具有51 d B的优异太赫兹屏蔽效能。(2)在同样的条件下,通过仅提高MXene分散液的浓度至10 mg ml-1,不添加额外的氧化石墨烯以及其他交联剂直接进行金属离子诱导凝胶化。最终仍可得到一种轻质纯MXene泡沫,由于无低导电的其他物质添加,MXene泡沫的导电率大大提高(1678 s m-1),使其在0.1-2.0 THz波段的平均EMI SE可达52.9 d B,密度仅为0.005 g cm-3,厚度约为200μm,表明可以屏蔽大部分的太赫兹波辐射。这项工作不仅为高性能太赫兹屏蔽材料的设计提供了思路,而且简化了金属离子扩散诱导的凝胶化过程,免除了交联剂的使用,从而可以很好地保留MXene的固有优良特性,扩大其应用范围。综上,本论文提出的利用金属离子诱导凝胶化的方式可以高效可控地制备三维多孔MXene泡沫,并使其具有轻质、高导电、优异的机械柔性、水环境稳定性强等特点,为太赫兹屏蔽设备提供了一种新型屏蔽材料,同时为MXene材料的三维构筑提供新的思路。
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