原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Chang Y, Zhao H, Liu X, et al. Etching-time-regulated strategy toward delaminated Mo₂CT_x MXene for tailoring electromagnetic wave absorption. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220977.

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220977

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/384269979_Etching-time-regulated_strategy_toward_delaminated_Mo_2_CT_x_MXene_for_tailoring_electromagnetic_wave_absorption

1、导读

MXene基材料在吸波领域具有巨大的潜能，但纯MXene基材料往往表现出较差的介电损耗性能。本文提出了一种新型的MXene基吸波材料，通过简单调节蚀刻时间的策略，定制分层Mo₂CT_x MXene的电磁波吸收特性。吸波性能的提升归因于末端官能团和表面缺陷导致的介质损耗和极化过程，优化了阻抗匹配。研究表明，Mo₂CT_x MXene的吸波性能优于其它传统MXene，为Mo基吸波材料的发展提供了基础。

2、研究背景

在高速发展的信息时代，电磁波的广泛应用显著提升了通讯技术和电子设备的性能，但随之而来的电磁波污染问题日益严重。因此，研发有效的电磁波吸收材料，以将入射电磁波能量转化为热能或其他形式的能量消耗，从而减轻电磁波污染，已成为亟待解决的重要课题。近年来，二维材料，尤其是MXene材料，因其卓越的电磁波衰减特性，成为研究的热点。尽管现有的MXene基复合吸波材料已表现出优异的吸波性能，然而其繁琐的制备工艺为实际应用带来了困难。纯MXene材料在吸波领域的研究虽有报道，但在反射损耗和有效吸收带宽方面仍有提升空间。因此，开发具有更优电磁波吸收特性的纯MXene材料已成为当前研究的关键方向。

3、文章亮点

l 首次将Mo₂CT_x MXene应用于微波吸收领域

l 通过调整Mo₂Ga₂C MAX相的蚀刻时间控制MXene表面的官能团和缺陷程度，实现吸波性能的调制。

l Mo₂CT_x MXene表现出比其他已被报道的单纯MXene吸波材料具有更强的反射损耗值-60.7 dB及更高的有效吸收带宽4.4 GHz。

4、研究结果及结论

图1展示了制备Mo₂CT_x MXene的方案，具体来说，将按固定摩尔比混合均匀的Mo粉和C粉在Ar气的氛围下于管式炉中进行烧制，随后将得到的β-Mo₂C再与一定量的Ga混合均匀并用石英管真空密封，于650 °C热处理16 h，得到Mo₂Ga₂C MAX相前驱体，最后利用HCl和NH₄F的蚀刻溶液对MAX相前驱体分别蚀刻6 h、12 h、24 h和36 h以得到目标产物。

图1 不同蚀刻程度的Mo₂CT_x材料的制备策略和结构示意图 

通过XRD（图2（a-b））和Raman（图2（c））对Mo₂Ga₂C MAX相和蚀刻后的Mo₂CT_x MXene进行了表征，制备得到的Mo₂Ga₂C显示无杂峰。随着蚀刻时间的延长，（002）特征峰呈现出先向低角度偏移随后向高角度偏移的趋势。

图2 （a-b）Mo₂Ga₂C和不同蚀刻时间的Mo₂CT_x MXene 的XRD图谱；（c）Raman光谱

图3 （a）Mo₂Ga₂C；（b）Mo₂CT_x-6H；（c）Mo₂CT_x-12H；（d）Mo₂CT_x-24H、（e）Mo₂CT_x-36H的SEM图；（f）平均O含量；（g-j）Mo₂CT_x-12H的EDS元素分布

图3和图4的SEM、TEM测试结果显示了MAX相和MXene的表面形貌及状态，不同处理时间的MXene分别呈现出与XRD和Raman结果相对应的半蚀刻（6 h）、完全蚀刻（12 h）及过度蚀刻（24 h、36 h）状态，完全蚀刻后继续延长处理时间，MXene表面的缺陷数量变多，尺寸增大。此外，图3（f）显示了样品的平均O含量，Mo₂CT_x-24H MXene含O量最高，表明其具有最多的-O-端官能团，可以触发更多的极化过程，从而增强吸波性能。

图4 （a-c）Mo₂CT_x-12H；（d-f）Mo₂CT_x-24H的TEM和HRTEM图像（插图：对应的SAED模式）；（g-k）Mo₂CT_x-12H的EDS光谱

图5主要展示了XPS分析以及不同刻蚀时间下样品的N₂吸附等温线。Mo 3d_5/3（图5（a））的结合能增加表明，随着时间的推移，Ga元素逐渐被表面官能团（-O、-OH和/或-F）所取代，这进一步验证了表面官能团的存在。比表面积（图5（e））的变化也随着刻蚀程度的不同而发生变化，进一步证明了Mo₂C层与表面官能团（-O、-OH）之间的相互作用，以及样品缺陷的增加在微波吸收中的重要作用。这些结果表明，刻蚀过程不仅影响样品的结构特征，也显著影响其物理化学性质。

图5 （a）Mo₂CT_x MXene不同刻蚀时间的测量光谱；（b）O 1s；（c）Mo 3d；（d）C 1s的高分辨率XPS光谱；（e）不同刻蚀时间下样品的N₂吸附等温线 

介电常数的实部（ε′）和虚部（ε′′）分别表示电磁波的存储和衰减能力，其中ε′′和电导率（σ）呈正相关，分别如图6（a）、（b）和（d）所示。ε′和ε′′整体上呈现出随着频率的增加而减小的变化趋势，同时曲线中也出现了一些小的波动。Mo₂CT_x-6H MXene随着Ga含量的降低，ε′和ε′′值均显著下降。然而，随着刻蚀时间增加至12 h和24 h，由于层间距的扩大以及样品中存在大量缺陷和高密度的表面功能基团，ε′和ε′′值又开始增大，图6（c）表明Mo₂CT_x-24H MXene具有优异的介电损耗能力。此外，图6（g）中Mo₂CT_x-12H MXene的半圆比其他微波吸收剂要大，代表了增强的极化损耗过程和多次弛豫过程。长尾也表明其具有优异的传导损耗贡献。在图6（f）中Mo₂CT_x-24H MXene观察到大量规则的半圆，表明存在更多的界面、缺陷和化学键，这些因素有助于实现令人满意的微波吸收性能。

图6 制备的样品电磁参数（a）ε´；（b）ε″；（c）tanδ；（d）电导率；（e-i）Cole-Cole环

样品的吸波性能如图7所示，厚度为1.3 mm 的Mo₂Ga₂C MAX相在15.7 GHz 时的最小反射损耗值为-16.2 dB，表现出较弱的微波吸收能力。随着Ga元素的去除，Mo₂CT_x MXene的吸波性能得到明显改善。Mo₂CT_x-12H MXene在1.3 mm 的厚度下实现了-44.4 dB最小反射损耗和4.4 GHz（13.42~17.82 GHz）的有效吸收带宽。对于Mo₂CT_x-24H MXene，在1.5 mm处获得了-60.7 dB的最佳电磁波吸收能力，这与其仅次于Mo₂Ga₂C MAX相的电磁波耗散能力和优化了吸收体的阻抗匹配（图7（h））有关。然而，随着蚀刻时间进一步增加到36 h，最小反射损耗值下降到-24.8 dB，缺陷的不断增加并不一定会带来更好的吸波性能，低氧含量也会导致性能变弱。因此，实现功能基团数量和缺陷之间的平衡对于获得最佳吸波性能至关重要，进一步证明了通过调节蚀刻时间来调节性能是可行的。图7（i）直观地展示了Mo₂CT_x MXene实现了比其它纯MXene材料更强的电磁吸收性能。

图7 （a）Mo₂Ga₂C；（b）Mo₂CT_x-6H；（c）Mo₂CT_x-12H；（d）Mo₂CT_x-24H；（e）Mo₂CT_x-36H与频率和样品厚度（f）1.5 mm厚度下的RL曲线；（g）衰减常数(α)；（h）│Z_in/Z₀│；（i）Mo₂CT_x MXene的EMW吸收性能比较图

Mo₂CT_x-24H材料可能的电磁波吸收机理如图8所示。经HCl和NH₄F处理后，MXene表面的官能团转化为活性位点，促进偶极子极化。此外，含氧官能团的存在形成了导电通路，加了导电损耗。同时，MXene的多层结构增强了电磁波的散射和反射，提升了衰减效果。缺陷和界面的存在导致多次极化，而匹配的导电损耗与极化过程提高了阻抗匹配，使电磁波更易穿透材料内部。

图8 Mo₂CT_x-24H MXene的EMW吸收机理示意图

MXene表面的氧官能团含量和蚀刻产生的缺陷引起的偶极极化、界面极化和导电损耗，以及多层结构引起的多次散射和反射是调控电磁波吸收性能的关键机制，为定制Mo基MXene吸波剂以实现理想的特性提供了一种可行的策略，有望成为研究下一代MXene基吸波材料的焦点。

5、作者及研究团队简介

第一作者：常玉凯，河南理工大学材料科学与工程学院讲师，硕士生导师，博士毕业于燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室。目前主要从事高温高压合成，二维磷基层状材料，MAX相及其衍生MXene材料的结构调控与吸波、电化学性能研究。主持国家自然科学基金青年基金、河南省科技攻关项目、河南省高等学校重点科研项目等，申请国家发明专利2项，发表论文20余篇，包括Nat. Commun.、Adv. Funct. Mater.、Nano energy、ACS Appl. Mater. Interfaces等国际知名期刊，担任Journal of Advanced Ceramics期刊助理编委。

通讯作者：霍英杰，唐山师范学院物理科学与技术学院讲师，毕业于燕山大学材料物理与化学专业，获工学博士学位。主要从事电磁屏蔽与微波吸收性能研究。2023年获河北省高等学校青年基金项目资助。目前在J. Adv. Ceram.、J. Power Sources、ACS Appl. Mater. Interfaces、Appl. Surf. Sci.、J. Alloy Compd.、ACS Appl. Nano Mater等期刊发表学术论文。

通讯作者：周爱国，河南理工大学教授，河南省科技创新杰出青年、河南省高校创新团队带头人、霍英东高校青年教师奖获得者，主要研究先进陶瓷材料MAX相与新型二维材料MXene的制备与性能。发表了140多篇研究论文，10篇ESI高被引论文，SCI累计引用9000多次，H因子45，担任Journal of Advanced Ceramics等期刊的编委，入选全球2%顶尖科学家年度影响力与终身科学影响力榜单。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

投稿地址：https://mc03.manuscriptcentral.com/jacer

期刊ResearchGate主页：https://www.researchgate.net/journal/Journal-of-Advanced-Ceramics-2227-8508