东南大学刘磊教授团队AFM报道高性能吸波材料研究成果:层级Carbon Fiber@MXene@MoS2核-鞘结构实现可调谐和高效吸波

【研究背景】

随着通讯技术的发展和相关设备的大范围应用,各种电子设备在给人们的生活带来便利的同时,也会对人体健康造成潜在的影响。为了应对日益严重的电磁污染,迫切需要能够满足各种需求的电磁波屏蔽和吸收材料。特别是高性能的微波吸收材料,可以通过将电磁波转换为其他形式的能量耗散掉,防止电磁波在材料表面的反射,从而避免对周围的单位造成二次污染。

    一般来说,吸波材料的设计和构建包括两个方面:组分的选择与结构的设计。根据现有的认识,一维MA相关材料,受益于各向异性和高长径比,在高频电磁场下容易沿轴向形成载流子传输路径,通过导电损耗消耗电磁波能量;二维MA相关材料由于具有本征的高比表面积和层状结构,可以通过界面处的极化增强和层间的多重反射来耗散电磁波;三维MA相关材料则可以通过引入空隙、孔洞等提高材料的阻抗匹配度,从而有利于吸波损耗。最近的研究表明,同时包含一维和二维组分的层级三维结构具有优异的吸波性能

另一方面,在吸波材料组分的选择上,除了传统的碳质材料、铁电陶瓷和聚合物等,新兴的二维材料MXene也因为具有独特的性质而受到越来越多的关注。MXene相关的复合物已被证明具有可控的介电常数和优异的吸波性能。然而,当前大多数研究倾向于直接将二维MXene与其他组分复合,这样会导致MXene的团聚从而削弱其优势。同时,具有高电导率的MXene片层也会导致电磁波在材料表面的反射,降低了阻抗匹配度。为解决上述问题,合理地设计三维结构,在保持MXene本身性质的前提下,提高体系的阻抗匹配度,是设计高性能MXene基复合吸波材料的关键

【成果简介】

近日, 东南大学刘磊教授团队通过静电吸附自组装和随后的水热反应构建了层级carbon fiber@MXene@MoS2鞘结构。Ti3C2 Mxene表面丰富的官能团使其在水溶液中具有电负性,利用静电吸附,可以使其在CTAB改性过的带正电性的碳纤维(Carbon Fiber,CF)表面进行组装,形成一维核-鞘结构的CF@MXene微棒。然后再通过简单的水热反应,在其最外面生长垂直取向的2H-MoS2纳米薄片。2H相的MoS2具有本征的半导体性质和良好的介电性质,可以在改善阻抗匹配的同时,提高整个体系的介电损耗能力。这种CF@MXene@MoS2核-鞘结构(CMM)具有显著的协同效应,最优反射损耗值在3.5mm厚度下达到-61.51dB,最大的有效吸收带宽在2.1mm厚度下达到了7.6GHz,且覆盖了整个Ku波段。

该文章在线发表在国际顶级期刊 Advanced Functional Materials (影响因子16.836)上, 2019级博士生王剑桥为本文第一作者。刘磊教授为共同第一作者和通讯作者。(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202002595)

【主要结果】

东南大学刘磊教授团队AFM报道高性能吸波材料研究成果:层级Carbon Fiber@MXene@MoS2核-鞘结构实现可调谐和高效吸波1. CMM核-鞘结构的合成过程示意图

    图1展示了实验过程中CMM核-鞘结构的制备过程。首先将清洗过的CF置入CTAB溶液中超声处理,修饰其表面使其带正电性。将改性过的CF浸入配制好的MXene水分散液中,在CF表面进行自组装,得到CF@MXene复合微棒。然后再通过水热反应在最外面构建一层垂直取向的MoS2片层,获得所设计的层级CMM核-鞘结构。

东南大学刘磊教授团队AFM报道高性能吸波材料研究成果:层级Carbon Fiber@MXene@MoS2核-鞘结构实现可调谐和高效吸波2. CMM层级结构的XRD、Raman和XPS表征结果

    如图2所示,XRD和Raman的结果表明,MXene片层紧密地结合到CF的表面,且CF@MXene表面被厚厚地MoS2层包裹,形成独特的层级CMM复合结构。XPS结果表明位于层级结构中间的MXene保持完整结构,且最外层的MoS2为2H相晶格。

东南大学刘磊教授团队AFM报道高性能吸波材料研究成果:层级Carbon Fiber@MXene@MoS2核-鞘结构实现可调谐和高效吸波图3.  CMM层级结构的微波吸收性能

    如图3所示, 不同MoS2负载下的CMM结构的反射损耗值与频率和样品厚度的关系。随着负载的增加,总体吸波性能变化明显。在CMM-3样品处,最强反射损耗达到在3.5mm厚度下达到-61.51dB,最大的有效吸收带宽在2.1mm厚度下达到了7.6GHz,且覆盖了整个Ku波段。同时,通过调节样品厚度,CMM-2和CMM-3样品均可以实现全Ku波段吸收,所有六组样品均可以实现全X波段吸收。

东南大学刘磊教授团队AFM报道高性能吸波材料研究成果:层级Carbon Fiber@MXene@MoS2核-鞘结构实现可调谐和高效吸波图4.  CMM层级结构的吸波机理示意图

    如图4所示, CMM层级结构的吸波机理包含以下几个方面:负载在CF上的MXene层具有了一维取向的结构,形成了相互交联的导电网络,通过导电损耗消耗电磁波;最外层的MoS2具有垂直取向的结构,有利于电磁波进入内部,提高了阻抗匹配度;具有层状结构的二维MXene和MoS2片层可以通过层间多重反射增强电磁波吸收;MXene表面的官能团以及MoS2片层中的缺陷可以作为偶极子极化中心耗散电磁波能量;同时,层级结构具有丰富的异质界面,增强了极化损耗。

【结论与展望】

综上所述,作者采用了一种简单的静电自组装和水热法构建了层级CMM核-鞘结构,具有优异的微波吸收性能。负载在CF上的MXene形成了一维取向的结构,在高频电磁场下通过导电损耗消耗电磁波能量;最外层的二维MoS2片层具有垂直取向的结构,增强了体系的阻抗匹配度。同时,这种层级结构具有丰富的异质界面和偶极子极化位点,提升了体系的极化损耗能力。这种方法为设计和构建高性能的微波吸收材料提供了参考。。

【文献参考】

Jianqiao Wang, Lei Liu,* Songlong Jiao, Kejian Ma, Jun Lv, and Junjie Yang. Hierarchical Carbon Fiber@MXene@MoS2 Core-sheath Synergistic Microstructure for Tunable and Efficient Microwave Absorption, Adv. Funct. Mater. 2020, 2002595

【团队介绍】

    东南大学刘磊教授团队近年来致力于二维材料的制备与应用,包括微纳器件制造、超灵敏传感器件检测、超柔性传感控制等方面的研究,目前已取得以下主要成果:

  1. Songlong Jiao, Lei Liu,* Jianqiao Wang, Kejian Ma, and Jun Lv. A Novel Biosensor Based on Molybdenum Disulfide (MoS2) Modified Porous Anodic Aluminum Oxide Nanochannels for Ultrasensitive microRNA-155 Detection, Small, 2020, 2001223.
  2. Lei Liu,* Kejian Ma, Xiaoxuan Xu,* Changjian Shangguan, Jun Lv, Songyang Zhu, Songlong Jiao, and Jianqiao Wang. MoS2‑ReS2 Heterojunctions from a Bimetallic Co-chamber Feeding Atomic Layer Deposition for Ultrasensitive MiRNA-21 Detection. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020,12, 29074-29084.
  3. Jun Lv, Junjie Yang, Songlong Jiao, Peng Huang, Kejian Ma, Jianqiao Wang, Xiaoxuan Xu,* and Lei Liu*. Ultrathin Quasibinary Heterojunctioned ReS2/MoS2 Film with Controlled Adhesion from a Bimetallic Co-Feeding Atomic Layer Deposition. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020, 12, 43311-43319.
  4. Lei Liu∗, Songyang Zhu, Yumin Wei, XiaoLin Liu, Songlong Jiao, Junjie Yang. Ultrasensitive detection of miRNA-155 based on controlled fabrication of AuNPs@MoS2 nanostructures by atomic layer deposition Biosens. Bioelectron, 2019, 144, 111660.
  5. Lei Liu∗, Yumin Wei, Songlong Jiao, Songyang Zhu, Xiaolin Liu. A novel label-free strategy for the ultrasensitive miRNA-182 detection based on MoS2/Ti3C2 nanohybrids. Biosens. Bioelectron, 2019, 137, 45-51.

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参考文献:Adv. Funct. Mater.