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学术报告：基于二维过渡金属碳化物与氮碳化物（MXene）气凝胶的各向异性电磁屏蔽材料研究
文献研究的第一作者是Meikang Han，通讯作者为Xiaowei Yin和Yury Gogotsi，合作作者包括Kanit Hantanasirisakul、Xinliang Li等。主要研究机构包括Drexel University（美国）、Northwestern Polytechnical University（中国）和Korea Institute of Science and Technology (KIST)（韩国）等。研究发表在2019年的《Advanced Optical Materials》期刊上，DOI为10.1002/adom.201900267。
随着无线通信技术和便携式无线电子设备的快速发展，电磁污染问题逐渐加剧。为减少电磁干扰（EMI）对敏感电子设备的影响，需要开发轻质、柔性且高效的EMI屏蔽材料。然而，传统的屏蔽材料如金属和石墨虽然具备高屏蔽效能，但主要依赖电磁波的反射，而无法有效吸收。这会产生二次污染，并影响屏蔽效果。此外，金属材料的高密度及易氧化性限制了其实际应用。
近年来，基于石墨烯的多孔结构由于其低密度、高比表面积和良好的柔性，成为了EMI屏蔽材料的理想候选者。然而，这些结构通常需要昂贵的化学气相沉积（CVD）技术制备，且还存在导电性和介电常数较低的问题。因此，研究开发一种既能实现优异电磁波屏蔽性能，又能在吸收与反射之间实现可调比例的新型材料成为重要课题。
本研究针对上述问题，设计了一种基于二维过渡金属碳化物和氮碳化物（MXene）制备的三维（3D）气凝胶材料。为了获得高效EMI屏蔽性能及反射与吸收比例的调节能力，研究者采用双向冻结铸造技术，使其形成具有长程有序层状结构的各向异性气凝胶。
研究采用了双向冻结铸造（bidirectional freeze-casting）技术制备Ti₃C₂Tₓ、Ti₂CTₓ和Ti₃CNTₓ三类MXene气凝胶。这一方法通过在MXene胶体溶液和铜板之间引入带斜面的硅橡胶（PDMS）楔形装置，形成水平和垂直双重温度梯度，从而实现MXene片层在层状结构中的有序排列。
初始溶液浓度从6 mg/mL逐步增加到12 mg/mL，随着浓度的升高，气凝胶的层间距逐渐减小，层间“桥”数量明显增多。同时，相应的胶体稠度提高，限制了MXene片层的流动性，从而增强了片层的整齐排列。
样品的显微结构通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射（XRD）进行分析。结果表明，制备的气凝胶具有高取向的层状结构，与传统随机排列的MXene气凝胶形成鲜明对比。Ti₃C₂Tₓ的长程有序层状结构通过多次与溶液浓度和冻结技术的优化得以实现。
压缩循环测试在50%的应变下进行，以验证气凝胶的弹性和结构稳定性。测试发现，在20次压缩释放循环后，密度为11.0 mg/cm³的Ti₃C₂Tₓ气凝胶仍能保持84.5%的应力恢复率，电阻在压缩和释放循环中保持稳定。
通过测量不同种类MXene气凝胶的S参数，研究其在8.2–12.4 GHz频段的EMI屏蔽性能。重点探讨不同密度和厚度样品的电磁屏蔽性能。气凝胶样本展现出了总屏蔽效能（SET）的频率依赖性，可以通过样品的压缩程度实现反射与吸收比例的调控。
Ti₃C₂Tₓ气凝胶表现出优异的力学性能，在1 mm厚度和11.0 mg/cm³密度下达到70.5 dB的平均屏蔽效能，显示出高比EMI效能（SSE），为8818.2 dB cm³/g，为目前报道屏蔽材料中的最高值之一。气凝胶的微结构特性，如缩小的层间距和增加的层间桥数量，大幅度提升了材料导电性和屏蔽性能。
随着气凝胶厚度从3 mm压缩到1 mm，总屏蔽效能（SET）保持稳定，但反射屏蔽效能（SER）显著增加，吸收屏蔽效能（SEA）逐渐减少。进一步分析表明，这种现象与压缩引起的导电性增强及多重反射降低有关。
研究提出MXene气凝胶的屏蔽机制包含两个主要方面：一是基于长程有序层状结构的多重反射与散射；二是MXene片层的极化和本征缺陷的贡献。此外，其高导电性及表面化学官能团的内禀偶极子极化导致了显著的电磁波损耗。
本研究成功开发了一种无添加剂的长程有序MXene气凝胶，以优异的屏蔽性能和压缩可调性填补了当前EMI屏蔽材料的空白。研究成果表明，MXene气凝胶不仅拥有超轻的密度、高效的屏蔽性能和优良的力学弹性，还提出了一种基于3D多孔结构的屏蔽材料设计策略。
该研究对电磁屏蔽领域具有重要启示：提出了一种低成本、高性能、轻质材料的设计思路，为解决电子设备电磁兼容性问题提供了新途径，也可推广至其他MXene家族材料的研究，加速其在防护和其他领域的推广与应用。