负载于碳基载体(活性炭、还原氧化石墨烯、碳纳米管)的蒙脱石包覆二硒化钼杂化物嵌于壳聚糖中具有优异电磁屏蔽性能的研究

《Inorganic Chemistry Communications》：Carbon-based supports (AC, rGO, CNTs) for clay-coated MoSe? hybrids encapsulated in chitosan with superior electromagnetic shielding

　　

摘要：研究人员介绍了一种新型且有前景的电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)屏蔽材料——具有低反射率、轻质且与电子设备兼容性好的气凝胶。本研究将MoSe2/蒙脱石(Montmorillonite, MM)纳米复合材料分别负载于不同碳基底（还原氧化石墨烯(reduced Graphene Oxide, rGO)、多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotube, MWCNT)和活性炭(Activated Carbon, AC)）上，随后将这些半导体/介电/导电纳米复合材料作为填料加入壳聚糖(Chitosan)聚合物基体中，经冷冻干燥制备不同类型气凝胶。研究人员在X波段和Ku波段考察了三种气凝胶的EMI屏蔽性能。结果表明，MM/rGO/壳聚糖气凝胶在厚度为2.5 mm时获得总屏蔽效能(Total Shielding Effectiveness, SET)＝27.24 dB（可阻挡超过99%的入射电磁波），优于其余两种气凝胶。此提升归因于rGO高质量导电网络及其与壳聚糖多孔结构的良好结合。

论文解读：负载于碳基载体(AC, rGO, CNTs)的蒙脱石包覆MoSe₂杂化物嵌于壳聚糖中具有优异电磁屏蔽性能的研究

本文发表于《Inorganic Chemistry Communications》。

一、研究背景与意义

随着电子设备和5G技术的快速发展，电磁污染加剧，不仅干扰设备运行且威胁人体健康，因此开发以吸收为主、低反射的电磁干扰(EMI)屏蔽材料成为研究热点。传统屏蔽材料较重且反射强易造成二次污染，轻质多孔气凝胶因可促进电磁波内部多重散射而被关注。二硒化钼(Molybdenum Diselenide, MoSe₂)作为过渡金属硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenide, TMD)，具窄带隙、高电子迁移率及大比表面积，利于传导与极化损耗；蒙脱石(Montmorillonite, MMT)可增大比表面积与界面极化。但MoSe₂导电性差、MMT不导电限制了吸波应用，需引入高导电碳材料（rGO、MWCNT、AC）构建导电网络。壳聚糖(Chitosan)具氨基/羟基官能团、可生物降解、能形成多孔轻质结构促进多重反射与焦耳热转换，是理想绿色基体。目前少见对比不同碳基底负载MoSe₂/MMT杂化物嵌入壳聚糖气凝胶的EMI屏蔽性能研究。本研究旨在评价碳基底类型对复合材料屏蔽效能的影响，探究最优体系及机理。

二、主要关键技术方法

研究人员首先水热合成MoSe₂/MMT纳米杂化物；再分别将产物与rGO、MWCNT、AC在水中/乙醇中超声分散、搅拌获MM/rGO、MM/MWCNT、MM/AC纳米复合填料；随后将各填料滴入溶于稀乙酸的壳聚糖溶液中，加戊二醛(Glutaraldehyde)交联剂交联，经冷冻干燥(?40 °C, 真空, 48 h)制得三种壳聚糖基复合气凝胶。采用X射线衍射(X-Ray Diffraction, XRD)表征物相，在X波段(8–12 GHz)和Ku波段(12–18 GHz)测试EMI屏蔽效能(Shielding Effectiveness, SE)，并分解为反射(SE_R)、吸收(SE_A)及多次内反射(SE_M)贡献进行分析。

三、研究结果

Results and interpretation（结果与解析）

研究人员通过XRD分析发现，三种气凝胶均在2θ≈28.37°与46.20°出现MMT的(002)与(400)晶面衍射峰(JCPDS No.13–0135)，在31.33°出现2H相MoSe₂的(006)晶面峰(JCPDS No.29–0914)，约24°宽峰归属壳聚糖分子内/间氢键，证实MoSe₂/MMT成功负载且复合于壳聚糖基质。EMI屏蔽测试表明，厚度2.5 mm时MM/rGO/壳聚糖气凝胶总屏蔽效能SE_T＝27.24 dB（屏蔽率>99%），高于MM/MWCNT/壳聚糖(SE_T＝18.85 dB)与MM/AC/壳聚糖(SE_T＝14.7 dB)。rGO体系SE_A占比最大，表明以吸收为主。研究人员认为rGO提供连续导电通路与更大比表面积，增强界面极化及多重散射，从而提升衰减；MWCNT虽具一定导电性但分散与网络连续性不及rGO片层；AC主要为微孔结构且导电网络较差，故屏蔽最低。

Conclusions（结论）

研究人员合成了2H相MoSe₂纳米球并与MMT纳米黏土复合，利用MoSe₂层与MMT层间范德华相互作用实现更紧密粘结与均匀分散。在相同条件下将该杂化物分别负载于rGO、MWCNT和AC碳载体，用作壳聚糖基体填料，冷冻干燥形成多孔气凝胶。结果表明碳基底类型对气凝胶EMI屏蔽性能起决定性作用：含rGO的气凝胶因提供更连续的电荷传输路径、增加界面极化及多重内反射，使电磁波损耗与衰减最强，SE_T达27.24 dB（厚度2.5 mm），优于MWCNT(18.85 dB)与AC(14.7 dB)体系。MM/rGO/壳聚糖气凝胶是以吸收为主导的轻质高效EMI屏蔽候选材料。

四、讨论总结

该研究通过构建MoSe₂/MMT杂化物修饰的不同碳基底—壳聚糖复合气凝胶，系统比较了rGO、MWCNT、AC作为导电填料对EMI屏蔽性能的影响。研究证实引入二维rGO片层可有效构筑连续导电网络并增多异质界面，强化界面极化弛豫与入射波在多孔结构内的多重反射/散射，将电磁能转化为焦耳热，以吸收机制为主实现>99%屏蔽。相比单纯半导体或黏土体系，碳基底的选择是提升性能的关键。MM/rGO/壳聚糖气凝胶兼具轻质、低反射、生物基可降解特点，为绿色高效EMI吸收型屏蔽材料设计提供了实验依据与新思路。