智能電子產(chǎn)品和可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)讓人們的生活變得十分方便，隨之衍生的電磁輻射對人體健康和設(shè)備可靠性有很大的影響，這引起了人們對高性能微波吸收(MA)和電磁干擾(EMI)屏蔽材料的關(guān)注。針對只能穿戴技術(shù)的需求，在設(shè)計(jì)MA材料時(shí)，不僅要考慮增強(qiáng)材料微波吸收能力，還要考慮材料的柔韌性和耐磨性等。因此，表面構(gòu)建MXenes或金屬氧化物（如ZnO和MnO2）陣列結(jié)構(gòu)的紡織電子器件成為了新型MA材料的開發(fā)熱點(diǎn)。由于MXene復(fù)合材料只通過物理共混的方式在聚合物中不規(guī)則分布，難以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)調(diào)控和設(shè)計(jì)，因此很少用于制備高性能紡織MA材料。此外，在實(shí)際應(yīng)用中，可穿戴設(shè)備會(huì)遇到潮濕、腐蝕等惡劣環(huán)境，因此對于紡織MA材料也有自清潔和耐久性有著很大的需求。
近日，北京航天航空大學(xué)的江雷院士、李典森教授團(tuán)隊(duì)利用浸涂法和水熱法在棉織物上構(gòu)建分層Ti3C2Tx MXene/Ni鏈/ZnO陣列雜化納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的電磁波衰減能力和較寬的吸收帶寬，其中分層三元納米結(jié)構(gòu)存在協(xié)同MA效應(yīng)，這種穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)還增加了棉纖維的表面粗糙度，超疏水處理后，實(shí)現(xiàn)持久的自清潔能力。同時(shí)，這項(xiàng)工作為可穿戴、自清潔MA材料提供了一個(gè)宏量制備的可能性。相關(guān)工作以“Hierarchical Ti3C2Tx MXene/Ni Chain/ZnO Array Hybrid Nanostructures on Cotton Fabric for Durable Self-Cleaning and Enhanced Microwave Absorption”發(fā)表在《ACS NANO》。
MXene/Ni鏈/ZnO列陣棉織物的制備：
如圖1所示，將清洗后的棉織物(CF)浸泡在MXene納米片溶液中，然后真空干燥，重復(fù)幾次浸泡-干燥過程得到MXene包覆的CF (即CF-M)。CF-M表面的MXene納米片呈連續(xù)的分層堆積，類似于珠母貝結(jié)構(gòu)，沿著纖維表面建立了導(dǎo)電通路。將CF- M浸在ZnO種子溶液，取出干燥；再放入Ni鏈溶液后，取出干燥。經(jīng)水熱處理后，得到含有MXene/Ni鏈/ZnO陣列的棉織物(CF-MNZ)。最后，對CF-MNZ進(jìn)行超疏水處理得到S-CF-MNZ。
S-CF-MNZ織物性能及作用機(jī)理：
研究發(fā)現(xiàn)，2.8mm厚度的 S-CF-MNZ織物在8.3GHz時(shí)可產(chǎn)生-35.1dB的出色反射損耗，有效吸收帶寬可以覆蓋整個(gè)x波段，厚度僅為2.2 mm。S-CF-MNZ織物對多種液滴表現(xiàn)出了良好的疏水性和自清潔性，在砂紙打磨、膠帶剝落、紫外照射及酸堿腐蝕處理后，依然保持著優(yōu)異的疏水性。S-CF-MNZ織物表現(xiàn)出優(yōu)異的MA性和持久自清潔性是因?yàn)椋邔?dǎo)電的MXene/ZnO陣列網(wǎng)絡(luò)，形成導(dǎo)電損耗和偶極子極化。Ni鏈賦予織物磁損耗能力，優(yōu)化阻抗匹配。S-CF-MNZ織物的分層混合納米結(jié)構(gòu)使進(jìn)入織物的電磁波發(fā)生多次反射和散射，擴(kuò)展電磁波的傳播路徑，進(jìn)一步耗散了電磁能量。超疏水處理后，MXene/Ni 鏈/ZnO陣列納米結(jié)構(gòu)表面均勻地覆蓋薄薄的涂層，使得S-CF-MNZ織物獲得自清潔性，同時(shí)提高了織物表面微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)穩(wěn)定性。因此，S-CF-MNZ織物在智能服裝、傳感器、柔性電子領(lǐng)域，特別是在惡劣環(huán)境下，具有廣闊的應(yīng)用前景。
小結(jié)：綜上所述，研究者在棉織物上設(shè)計(jì)制作了Ti3C2Tx MXene/Ni鏈/ZnO陣列復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，不僅保持了棉織物固有的柔順性，還賦予其優(yōu)異的MA性能。此外，這種雜化納米結(jié)構(gòu)與超疏水涂層的結(jié)合還可以賦予織物優(yōu)良的疏水性和持久的自清潔能力。因此，S-CF-MNZ織物在智能服裝、傳感器、柔性電子領(lǐng)域，特別是在惡劣環(huán)境下具有廣闊的應(yīng)用前景。
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