來源 | ACS Applied Nano Materials

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背景介紹

隨著無線通信平臺和便攜式電子產品向高集成度、小型化、輕量化、高功率密度方向快速發展，全球電磁輻射污染日益嚴重。嚴重的電磁干擾(EMI)不僅會干擾電子設備的正常工作，而且會對人體健康和其他生物系統產生不利影響因此，人們致力于通過制造各種具有獨特結構特性的電磁干擾屏蔽材料來緩解電磁輻射問題。

在報道的電磁干擾屏蔽材料中，金屬基箔/薄膜(如銅箔，鋁箔和MXene薄膜)具有優異的導電性，但通常存在一些缺點(如耐腐蝕性差和質量密度高)，這在一定程度上阻礙了它們的實際應用。另一方面，具有輕量化和多孔結構的雜化二維導電材料(如還原氧化石墨烯(rGO)/ MXene,Ti3C2Tx/rGO和Ti3C2Tx/碳納米片)已被認為是EMI屏蔽應用的有希望的候選者。

然而，由于含有豐富的含氧官能團，通常會導致復合膜的導電性較差，屏蔽電磁干擾的效果(SE)較低。此外，將低維導電填料(例如，1D碳納米管， 2D氧化石墨烯， 2D石墨烯納米片，和2D MXene)摻入電絕緣聚合物中構建的導電聚合物復合材料(CPCs)被認為是替代EMI屏蔽候選材料，但這些CPCs的EMI SE值仍然令人不滿意。因此，開發具有獨特結構特性和提高電磁干擾屏蔽效果的新型電磁干擾屏蔽材料是迫切需要的。

與一維和二維導電填料相比，具有相互連接的多孔網絡的三維石墨烯泡沫/薄膜由于其輕量化和優異的導電性和導熱性等優點，已被用于EMI屏蔽和熱管理應用。盡管取得了相關進展，但大多數的柔性EMI屏蔽泡沫/薄膜仍然遇到一些缺點，例如導電性差，熱穩定性不理想，SE不足(通常<60 dB)，以及較小厚度下的特定SE (SE/密度/厚度，SSE/t)，這限制了它們的進一步應用。在這種情況下，設計和開發具有卓越EMI屏蔽和焦耳加熱性能的柔性材料，仍然是一個巨大的挑戰。

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成果掠影

近期，新加坡南洋理工大學Edwin Hang Tong Teo教授針對開發用于便攜式和小型化電子產品的電磁干擾屏蔽和增強熱管理能力的柔性薄膜材料取得最新進展。該文提出結合三維多孔石墨烯薄膜和MXene納米片的優點，通過真空輔助過濾的方法，將MXene納米片與三維多孔石墨烯薄膜襯底集成，制備出具有獨特結構特征、優異柔韌性和優異電磁干擾屏蔽能力的柔性石墨烯/MXene (G/M)復合薄膜。本研究中提出的石墨烯/石墨烯復合薄膜直接使用3D互連多孔石墨烯薄膜和MXene水性分散體作為起始材料進行組裝，無需進一步的熱處理。得益于MXene層的褶皺結構和石墨烯膜的互連多孔網絡的協同效應，所獲得的G/M復合薄膜具有更高的柔韌性，并具有高達96.3 dB的高EMI SE，優于迄今為止報道的大多數類似厚度的屏蔽材料。此外，聚合物修飾的G/M復合薄膜在低驅動電壓下表現出高效的電熱轉換能力。這些柔性G/M復合薄膜具有優異的電磁干擾屏蔽和焦耳加熱綜合功能，有望應用于下一代微型化柔性電子產品。研究成果以“Flexible Graphene/MXene Composite Thin Films for High Performance Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating”為題發表于《ACS Applied Nano Materials》。

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圖文導讀

圖1..(a)制備G/M復合薄膜的示意圖。(b)不同彎曲角度下G/M復合薄膜的數碼照片。G/M薄膜在1.7 cm彎曲半徑下的重復彎曲循環:(c)第1次，(d)第1000次，(e)第2000次，(f)第3000次。(d)、(e)、(f)插圖為相應彎曲周期后的G/M薄膜放大圖。

圖2.MXene、多孔石墨烯薄膜和G/M復合薄膜的形貌和微觀結構。

圖3.(a) MXene、多孔石墨烯薄膜和G/M復合薄膜的XRD譜圖，(b) MXene薄膜的XPS測量譜，MXene薄膜的高分辨率(c) C1s和(d) Ti2p光譜。

圖4.MXene、多孔石墨烯薄膜和G/M復合薄膜的電磁干擾屏蔽性能。

圖5.(a) M-14、G-71和各種G/M復合薄膜的SET、SEA和SER的比較,(b) M-14、G-71和G/M復合薄膜在10.3 GHz時的功率系數,(c) G/M復合薄膜的電磁干擾屏蔽機理示意圖,以SET (d)和SSE/t (e)作為厚度函數的各種材料的EMI屏蔽性能比較。

圖6.G/M/P復合薄膜的熱管理性能。

END

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