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  隨著電子信息技術的迅速發展和物聯網的大力建設，電磁污染和電磁干擾（EMI）也愈發嚴重。電磁屏蔽技術在控制或減輕電磁輻射污染方面起著至關重要的作用，而高性能電磁屏蔽材料是實現電磁屏蔽的關鍵。在航空航天、便攜式和可穿戴智能電子設備領域中，迫切需要高性能、輕質、高導電性和超彈性，甚至耐極端環境的電磁屏蔽材料，但是它們的研究開發仍然面臨艱巨挑戰。二維過渡金屬碳/氮化物（MXene）的納米片層結構、出眾的電學性質、極性的表面性質使其在制備高效的電磁屏蔽材料方面展現出極大的潛力和競爭力。但由于MXene表面的官能團種類、片層大小以及較弱的納米片層間作用力的限制，難以制備得到兼具高彈性和高導電性的輕質可壓縮三維結構。

  北京化工大學于中振教授、張好斌教授團隊展示了一種有效的方法來提高MXene基氣凝膠的彈性，同時保持其高導電性和低密度特性。基于MXene納米片與酸化碳納米管（aCNT）的協同作用，通過定向冷凍和后續冷凍干燥構建了具有類爬山虎微形貌的MXene/aCNT各向異性氣凝膠。MXene納米片構建了各向異性多孔骨架，而aCNTs像爬山虎一樣牢牢地抓住MXene納米片形成的孔壁，不僅提升了MXene基氣凝膠的強度，還實現了氣凝膠的超輕性和超彈性。同時，高導電骨架、多孔結構以及MXene和aCNT上豐富的可極化中心賦予了氣凝膠極高的電磁屏蔽性能。此外，定向多孔的全無機骨架不僅使得MXene/aCNT各向異性氣凝膠具有良好的隔熱性能，還可以經受極端溫度（-196~300℃）環境而不會發生脆斷或融化，仍然保持很好的壓縮回彈性。這些特性使該氣凝膠有望應用于熱敏感電子器件的隔熱、緩震、電磁干擾防護等領域。

本文亮點

  1. 受爬山虎植物的啟發構建了一維酸化碳納米管/二維MXene納米片協同增強的輕質、高導電、超彈性的各向異性MXene/酸化碳納米管氣凝膠（MCA）；

  2. 解決了MXene氣凝膠在超低密度下難以兼具高彈性和高導電的問題，添加5 wt %酸化碳納米管的MCA便可以實現超彈性、塑性形變小、抗疲勞壓縮性能好等優點，其密度可以低至9.1 mg cm^?3，電導率為447.2 S m^-1,與石蠟復合后其在X波段的EMI屏蔽性能超過51 dB。而當MCA密度增至18.2 mg cm^?3時，電磁屏蔽性能平均可達90 dB。

  3. 更有意義的是，與商業隔熱泡沫相比，MCA具有更好的保溫能力，而且能夠耐受在300 ℃高溫和液氮（-196 ℃）超低溫環境，仍保持良好的彈性。

圖1 MXene/酸化碳納米管氣凝膠的(a-c)合成流程圖及(d-g)其多功能展示。

圖2 MXene/酸化碳納米管(a-b)基元及其氣凝膠的(d-g)形貌和(h-i)結構性質表征。

圖3 MXene/酸化碳納米管氣凝膠的(a-c)首次壓縮回彈測試分析和(d-f)抗壓縮疲勞測試及(g)彈性機理。

圖4 MXene/酸化碳納米管氣凝膠的(a, b)電學性能、(c-e)電磁屏蔽性能和(f)屏蔽機理。

圖5 MXene/酸化碳納米管氣凝膠的(a-c)隔熱性能以及其在(d)高溫和(e)超低溫環境下的壓縮回彈性能展示。

  相關成果以“Superelastic, ultralight, and conductive Ti3C2Tx MXene/acidified carbon nanotube anisotropic aerogels for electromagnetic interference shielding”為題發表在ACS Appl. Mater. Interfaces（10.1021/acsami.1c02059）。論文的第一作者為博士生鄧志明，通訊作者為張好斌教授和于中振教授。該論文得到了國家自然科學基金和中央高校基礎研究基金的資助。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsami.1c02059