福大施永乾教授、南昆大宋平安教授 AFM: 具有超高电磁屏蔽利用效率和机械超弹性且坚固、空气稳定且耐用的多功能火安全MXene气凝胶

2023-09-08 来源：高分子科技

MXene气凝胶在许多重要的应用场景中显示出巨大的潜力，特别是电磁干扰(EMI)屏蔽。然而，由于MXene难以实现可定制的多孔结构、优异的机械弹性和所需的抗氧化能力，制造成本低廉、机械超弹性、空气稳定且耐用的MXene气凝胶实现有效的EMI保护一直是一个巨大的挑战。

近期，福州大学环境与安全工程学院施永乾教授/澳大利亚南昆士兰大学农业与环境科学学院宋平安教授合作报告了一种机械超弹性且坚固、空气稳定且耐用的阻燃多功能MXene气凝胶，该气凝胶具有卓越的EMI屏蔽、机械超弹性和坚固性、阻燃性、隔热性和耐候性（图1）。该团队受芯片封装思想启发，提出一种气凝胶表面封装设计方法，首先通过冷冻干燥共组装MXene和纤维素纳米纤维（CNF），然后使用阻燃疏水性热塑性聚氨酯（TPU）进行表面封装，构筑了多功能MXene复合气凝胶（图2）。这一新颖的概念设计大大有助于解决潜在工业应用的三个关键问题：（1）克服MXene的低利用效率。尽管目前许多学者都在从事MXene气凝胶/泡沫的研究，但据统计，目前MXene相关气凝胶/海绵在电磁屏蔽领域的MXene利用效率明显较低，这需要一定量的MXene负载量（通常在20wt%以上）。（2）避免MXene氧化。由于MXene在潮湿的空气中易于氧化，先前工作中报道的MXene气凝胶倾向于被氧化，这将导致在实际应用中性能的损失。（3）解决机械耐久性差的问题。在目前的研究中，目前MXene气凝胶/泡沫的弹性和压缩回收性能较差。以上这些因素在很大程度上限制了MXene气凝胶的实际应用。这项工作为创建多功能火安全气凝胶提供了一种简便的策略，该气凝胶在EMI防护、智能火灾监控、可穿戴设备、热管理、人体健康检测等领域具有巨大的应用潜力。

图1.多功能气凝胶的性能及其应用

图2.气凝胶的构筑及其结构与性能比较

所制备的气凝胶表现出独特的异质多孔结构，尺寸范围为10至100μm。尽管采用阻燃TPU封装，气凝胶仍然具有0.26g/cm³的极低密度，因此可以轻松地放置于狗尾草上面而不会使狗尾巴草变形。该气凝胶还具有出色的压缩回弹性，即使在多次压缩循环后仍能保持其机械性能。值得注意的是，所制备的气凝胶在仅含有3.14 wt% MXene的情况下，不仅其EMI SE高达93.5dB，而且MXene的EMI利用效率达到创纪录水平，高达2977.71dB/g·g^-1，是文献报道最高值的3倍以上。由于受到阻燃TPU封装保护，制备的气凝胶表现出优异的耐侯性。此外，该气凝胶在火灾预警、隔热、压力传感、吸波等领域具有明显的应用潜力。由于制造成本显著降低，这种多功能火安全MXene气凝胶可以有效促进MXene在工业环境中的实际应用。

图3.气凝胶优异的EMI效能

图4.气凝胶出色的耐用性和机械坚固性

图5.气凝胶的火灾预警、隔热、压力传感和吸波性能

相关成果以“Hyperelastic, Robust, Fire-Safe Multifunctional MXene Aerogels with Unprecedented Electromagnetic Interference Shielding Efficiency”为题发表在国际材料领域知名期刊Advanced Functional Materials（IF: 19.924/Q1），论文的第一作者为福州大学硕士研究生王恒睿和嘉兴学院江悦博士，施永乾校聘教授和宋平安教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金（52173070）、福州大学贵重仪器设备开放测试基金（2023T013）和澳大利亚研究理事会（FT190100188, LP220100278）的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202306884

通讯作者简介

施永乾：现为福州大学环境与安全工程学院校聘教授，博士生导师，入选福建省高层次人才C类、2022年全球前2%顶尖科学家、福州大学“旗山学者”，中国消防协会第八届科普教育工作委员会委员、中国消防协会第四届防火材料委员会委员、中国塑料加工工业协会第五届专家委员会委员、江苏省科技副总、宝应县“星链工程”特聘专家。2016年6月获中国科学技术大学工学博士学位，并于同年10月获香港城市大学哲学博士学位。研究兴趣包括材料热解与燃烧机制、材料安全评价理论与技术、阻燃多功能材料设计与应用等。截止目前，在Advanced Functional Materials等知名期刊上发表SCI收录论文130余篇（其中ESI高被引论文11篇/热点论文1篇），被引用7200余次（H-Index：49），申请和授权专利10余件。主持国家自然科学基金、福建省自然科学基金等科研项目10余项。成果荣获中国职业安全健康协会科学技术一等奖、中国安全生产协会第二届安全科技进步二等奖、第十五届福建省自然科学优秀学术论文一等奖等。担任Polymers（中科院3区）客座编辑、Frontiers in Materials（中科院3区）副编辑以及American Journal of Chemical Engineering、Current Materials Science等编委和《中国塑料》青年编委。

宋平安：澳大利亚南昆士兰大学农业与环境科学学院教授，澳大利亚研究理事会未来研究员（ARC Future Fellow），入选2021和2022年全球前2%顶尖科学家。2009年获得浙江大学高分子化学与物理专业博士学位。主要致力于高分子材料的共混改性及其结构-性能关系、阻燃剂及阻燃涂层、火灾预警等方面的研究。迄今，已主持包括6项国家级项目在内的30余项科研项目。以第一作者和/或通讯作者等在Science, Adv. Mater.（3）, Matter, Adv. Funct. Mater.（3）, ACS Nano（4）、Prog. Mater. Sci.、Prog. Polym. Sci.、Mater. Sci. Eng. R: Rep.和Macromolecules（5）等材料和高分子领域的国际知名学术期刊上发表SCI收录论文230余篇；总被引用达14900余次，H-指数74 (Goolge Scholar)，其中ESI高被引论文32篇。研究工作得到Science、澳大利亚ABCNews、MIT技术评论等媒体的广泛报道；研究工作入选澳大利亚研究理事会年度报告。编写英文书籍章节2章。目前担任期刊Sustainable Materials and Technologies（IF: 9.6）的副编辑，以及Compos. Part B: Eng.（IF:13.1）、J. Mater. Sci. Technol. （IF：10.9）和ACS Sustainable Chemistry &Engineering (IF:8.4) 的期刊的编委。

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（责任编辑：xu）

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