轻质柔性的MXene复合薄膜：迈向先进的电磁屏蔽、智能热管理及传感集成技术

《Journal of Alloys and Compounds》：Lightweight Flexible MXene Composite Films: Towards Advanced Electromagnetic Shielding, Smart Thermal Management, and Sensing Integration

电磁屏蔽轻质复合薄膜的制备及其多功能性能研究。该研究通过整合二维MXene纳米片、一维纤维素纳米纤维（CNF）和零维银纳米颗粒（AgNPs）构建出多相多层次（0D-1D-2D）复合薄膜，实现了89.2 dB的高电磁屏蔽效能（72 μm厚度）和优异的机械柔韧性、焦耳热效应及机电响应特性。

　　

关欣工|盛娟莉|冯燕高|于凡陈|尹云涵|易凡陈|雷莉|薛玉华|隋国荣

上海科技大学材料与化学学院，中国上海200093

摘要

在5G时代以及即将到来的6G时代，对紧凑型和高频电子设备的需求不断增长，这加剧了对电磁干扰（EMI）的担忧，因为电磁干扰会严重威胁信号完整性和设备可靠性。因此，开发轻质、灵活且多功能性的屏蔽材料对于下一代电子产品至关重要。本文介绍了一种自组装的MXene/AgNPs/CNF复合薄膜，该薄膜具有多相分层结构，由二维Ti?C?T? MXene纳米片、一维纤维素纳米纤维（CNFs）和零维银纳米颗粒（AgNPs）组成。这种协同结构设计构建了一个导电网络，有效平衡了导电性和机械强度。优化后的复合薄膜在72微米厚度下表现出卓越的EMI屏蔽效果，屏蔽效率达到89.2 dB，相当于每厘米12388.9 dB的特定性能，屏蔽效率超过99.999999%。除了出色的屏蔽性能外，该薄膜还具备可靠的柔韧性、快速稳定的焦耳加热行为以及灵敏的机电响应。这些多功能特性源于MXene、AgNPs和CNF之间的协同界面作用和电荷转移耦合。这项工作为构建用于先进电磁屏蔽、热管理和可穿戴传感应用的界面工程化纳米复合材料提供了一种材料高效且多用途的策略。

引言

随着第五代（5G）和第六代（6G）电子技术的快速发展，对高性能轻质、灵活的电磁干扰（EMI）屏蔽材料的需求日益迫切[1]、[2]。这类材料不仅需要具备优异的EMI屏蔽效果，还需要具备机械强度、有效的热管理和可靠的传感能力，以满足下一代可穿戴和便携式设备的多功能需求[3]、[4]、[5]。在过去几十年中，人们探索了多种导电纳米材料用于EMI屏蔽，包括碳纳米管（CNTs）[6]、[7]、[8]、石墨烯[9]、[10]、金属纳米线[11]、[12]、[13]以及二维过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）[14]、[15]、[16]、[17]。其中，MXenes（尤其是Ti?C?T?）因其金属导电性、可调层状结构以及表面亲水官能团（-F、-O、-OH）而受到广泛关注，这些官能团有利于基于溶液的处理，使其成为构建高性能EMI屏蔽膜的理想材料[18]。然而，MXene纳米片本身的脆性和层间凝聚力较弱，限制了其机械强度和长期可靠性，从而阻碍了实际应用。为了解决这些问题，最近的研究集中在界面增强策略上，例如引入聚合物或一维（1D）纳米纤维来加强层间相互作用并提高MXene基薄膜的机械强度[12]、[14]、[17]、[19]。例如，Jahange等人通过溶剂浇铸法制备了MXene-PVA复合薄膜，聚合物的引入显著提高了薄膜的拉伸强度，从19.5 MPa提升至56.0 MPa[20]；Zhou等人则结合了MXene、芳纶纳米纤维（ANF）和PEDOT:PSS，制备出具有超高拉伸强度（155.9 MPa）和优异EMI屏蔽性能（48.1 dB）的双层复合薄膜[21]。然而，大多数聚合物来自石油，可再生性有限且可能存在环境问题[22]。

相比之下，纤维素纳米纤维（CNFs）来源于丰富的可再生生物质资源[23]，具有高长宽比[24]、出色的机械强度[25]以及与MXene纳米片的良好界面相容性[26]，使其成为有前景的增强组分。然而，它们本身的导电性较差，可能会干扰MXene框架内的电子传输路径，从而降低薄膜的整体导电性和屏蔽性能。为了解决这个问题，引入了银纳米颗粒（AgNPs）作为高导电性的纳米桥梁，重新建立并密实MXene片层之间的导电网络。得益于其纳米级尺寸和优异的导电性，AgNPs有效促进了界面电荷转移，从而恢复了导电网络并显著提高了EMI屏蔽效果。与以往报道的MXene/Ag/纤维素三元复合材料（通常采用非分层混合方式）相比，我们的工作建立了一种多相分层（0D–1D–2D）结构，其中AgNPs作为层间纳米桥梁，CNF形成机械强度高的1D支架，MXene提供连续的2D导电网络。这种结构设计能够在材料高效的情况下同时调节层状排列和界面电荷传输。

在这里，我们提出了一种简单的自组装策略，通过整合二维（2D）MXene纳米片、一维（1D）CNFs和零维（0D）AgNPs来构建MXene/AgNPs/CNF多相分层复合薄膜。这种0D-1D-2D分层配置协同增强了机械强度和导电性，同时保持了优异的EMI屏蔽性能。通过优化三相之间的界面耦合和电子传输，所得复合薄膜成功解决了机械强度、导电性和EMI屏蔽性能之间的长期矛盾。这项工作不仅为设计基于MXene的复合薄膜提供了一种材料高效的策略，还为界面电荷转移和分层结构-性能关系提供了基本见解，为开发灵活的EMI屏蔽材料、可穿戴传感器和多功能电子设备奠定了基础。

材料

所有使用的化学品均为分析级。盐酸（HCl）、氟化锂（LiF）、硝酸银（AgNO?）、硼氢化钠（NaBH?）和无水乙醇均购自中国国家医药集团 Corporation Chemical Reagents Co., Ltd.；Ti?AlC?购自北京华威瑞科化工有限公司；纤维素浆纤维购自上海同华益生纤维生物技术有限公司。

CNF分散液的制备

CNF分散液是通过机械方法制备的

复合薄膜的合成与表征

图1a展示了MAC-50复合薄膜的制备过程。首先，使用HCl/LiF溶液蚀刻MAX相中的铝层，成功制备出具有手风琴状结构的多层MXene（见图S2）。随后，通过超声剥离将多层MXene转化为单层MXene纳米片。然后，通过亲水官能团之间的氢键作用，将单层MXene纳米片、AgNPs和CNF均匀混合

结论

总结来说，我们通过简单的自组装和真空过滤工艺制备了一种超薄MXene/AgNPs/CNF复合薄膜，该薄膜具有多相分层（0D–1D–2D）结构。在这种结构中，CNF作为机械强度高的支架，MXene形成连续的导电和屏蔽框架，AgNPs作为层间调节剂，促进层状密实化和界面电荷转移。得益于这种多相分层配置，复合薄膜

作者贡献声明

薛玉华：项目监督、项目管理、资金筹集。隋国荣：撰写 – 审稿与编辑、项目管理、方法论、资金筹集、概念构思。关欣工：撰写 – 原稿撰写、方法论、实验研究、数据管理、概念构思。盛娟莉：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论。冯燕高：实验研究、数据管理。于凡陈：方法论、实验研究、概念构思。尹云涵：方法论、实验研究

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（52172095）、上海市科学技术委员会（24TS1415900）、浦东新区科技创新发展基金（PKX2023-W01）以及中国高端外国专家引进计划（57-23-310-002）的支持。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。