具有富水孔隙的高交聯水凝膠在模仿自然界中具有層級結構的生物材料的多功能建筑的突出潛力。在這里，一種過渡金屬碳化物(Ti3C2 MXene)/聚乙烯醇(PVA)仿生水凝膠是通過冰模板冷凍然后鹽析的方法制造的。除了高導電性和機械強度以及超柔性外，還成功地實現了蜂窩狀排列多孔結構。由于MXene、PVA、水和仿生多孔結構之間的協同作用，該薄水凝膠在僅0.86 vol % MXene含量的情況下具有57 dB的x波段電磁干擾屏蔽效果(SE)。在8.2 ~ 40 GHz的超寬帶頻率范圍內，實現了典型GHz頻率范圍內的EMI SE超過50 dB。更重要的是，通過原位控制水凝膠的含水量，確定了水對電磁干擾屏蔽性能的定量影響。此外，該超柔性可穿戴水凝膠具有良好的應變傳感性能，有助于對人體運動進行靈敏可靠的檢測和智能編碼。因此，這項工作為制備健壯、靈活、多功能的基于mxene的仿生水凝膠提供了一種途徑，可用于高性能EMI屏蔽和可穿戴應變傳感器。
圖1 (a) MXene/PVA水凝膠的制備過程示意圖。(b) MXene薄片和MXene分散液的廷德爾效應的AFM圖像。(c) MXene的TEM圖像。(d) MXene/PVA水凝膠的SEM圖像和(e)對應的O、F、C和Ti元素映射圖。超柔性的MXene水凝膠具有(f)形狀適應性，(g)彎曲，扭轉和拉伸，以及MXene/PVA水凝膠條(約1 g)承受200 g載荷的照片，(h)拉伸應力-應變曲線，以及(i)樣品的模量和拉伸強度。
圖2. (a)不同孔隙形態的0.86 vol % MXene/PVA水凝膠的x波段EMI SE。(b) x波段EMI SE和(c) SER、SEA和SET。(d)不同MXene含量水凝膠的功率系數。(e) EMI SE和(f)不同固體含量(MXene和PVA的體積分數)0.86 vol % MXene/PVA水凝膠的SER、SEA和SET。(g)樣品厚度對0.86 vol % MXene/PVA水凝膠EMI SE的影響。(h) MXene/PVA (0.86 vol %)水凝膠在1000次彎曲處理前后的x波段EMI SE。(i) X、Ku、K和Ka頻帶等典型GHz頻率范圍內的EMI SE。
圖3 (a)顯示水凝膠和氣凝膠之間可逆轉換的示意圖。(b)不同含水量MXene/PVA水凝膠在10 GHz下的EMI SE和(c) SEA、SER和SET值。(d) MXene/PVA水凝膠的電磁干擾屏蔽性能與其他屏蔽復合材料的性能比較。(e)提出了具有排列孔通道的水凝膠的電磁干擾屏蔽機制。
圖4. (a)不同MXene含量的MXene基水凝膠在50%拉伸應變下的相對阻力變化曲線。(b) 0.86 vol % MXene水凝膠的應變GF。傳感器在(c)不同拉伸應變和(d) 50%不同頻率應變下的相對電阻變化。 (e)不同角度的彎曲誘導拉伸，(f)不同速度的手指彎曲，(g)快速點擊，信號對(h)“PVA”和(i)“MXene”的解碼產生響應。
相關科研成果由山東大學理學院Jiurong Liu等人于2022年發表在ACS Materials Letters (https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.2c00778)上。原文：Biomimetic Porous MXene-Based Hydrogel for High-Performance and Multifunctional Electromagnetic Interference Shielding。
轉自《石墨烯研究》公眾號
