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福大施永乾教授、南昆大宋平安教授 AFM: 具有超高電磁屏蔽利用效率和機械超彈性且堅固、空氣穩定且耐用的多功能火安全MXene氣凝膠
2023-09-08  來源:高分子科技

  MXene氣凝膠在許多重要的應用場景中顯示出巨大的潛力,特別是電磁干擾(EMI)屏蔽。然而,由于MXene難以實現可定制的多孔結構、優異的機械彈性和所需的抗氧化能力,制造成本低廉、機械超彈性、空氣穩定且耐用的MXene氣凝膠實現有效的EMI保護一直是一個巨大的挑戰。


  近期,福州大學環境與安全工程學院施永乾教授/澳大利亞南昆士蘭大學農業與環境科學學院宋平安教授合作報告了一種機械超彈性且堅固、空氣穩定且耐用的阻燃多功能MXene氣凝膠,該氣凝膠具有卓越的EMI屏蔽、機械超彈性和堅固性、阻燃性、隔熱性和耐候性(圖1)。該團隊受芯片封裝思想啟發,提出一種氣凝膠表面封裝設計方法,首先通過冷凍干燥共組裝MXene和纖維素納米纖維(CNF),然后使用阻燃疏水性熱塑性聚氨酯(TPU)進行表面封裝,構筑了多功能MXene復合氣凝膠(圖2)。這一新穎的概念設計大大有助于解決潛在工業應用的三個關鍵問題:(1)克服MXene的低利用效率。盡管目前許多學者都在從事MXene氣凝膠/泡沫的研究,但據統計,目前MXene相關氣凝膠/海綿在電磁屏蔽領域的MXene利用效率明顯較低,這需要一定量的MXene負載量(通常在20wt%以上)。(2)避免MXene氧化。由于MXene在潮濕的空氣中易于氧化,先前工作中報道的MXene氣凝膠傾向于被氧化,這將導致在實際應用中性能的損失。(3)解決機械耐久性差的問題。在目前的研究中,目前MXene氣凝膠/泡沫的彈性和壓縮回收性能較差。以上這些因素在很大程度上限制了MXene氣凝膠的實際應用。這項工作為創建多功能火安全氣凝膠提供了一種簡便的策略,該氣凝膠在EMI防護、智能火災監控、可穿戴設備、熱管理、人體健康檢測等領域具有巨大的應用潛力。 


圖1.多功能氣凝膠的性能及其應用 


2.氣凝膠的構筑及其結構與性能比較


  所制備的氣凝膠表現出獨特的異質多孔結構,尺寸范圍為10至100μm。盡管采用阻燃TPU封裝,氣凝膠仍然具有0.26g/cm3的極低密度,因此可以輕松地放置于狗尾草上面而不會使狗尾巴草變形。該氣凝膠還具有出色的壓縮回彈性,即使在多次壓縮循環后仍能保持其機械性能。值得注意的是,所制備的氣凝膠在僅含有3.14 wt% MXene的情況下,不僅其EMI SE高達93.5dB,而且MXene的EMI利用效率達到創紀錄水平,高達2977.71dB/g·g-1,是文獻報道最高值的3倍以上。由于受到阻燃TPU封裝保護,制備的氣凝膠表現出優異的耐侯性。此外,該氣凝膠在火災預警、隔熱、壓力傳感、吸波等領域具有明顯的應用潛力。由于制造成本顯著降低,這種多功能火安全MXene氣凝膠可以有效促進MXene在工業環境中的實際應用。 


3.氣凝膠優異的EMI效能 


圖4.氣凝膠出色的耐用性和機械堅固性


5.氣凝膠的火災預警、隔熱、壓力傳感和吸波性能


  相關成果以“Hyperelastic, Robust, Fire-Safe Multifunctional MXene Aerogels with Unprecedented Electromagnetic Interference Shielding Efficiency”為題發表在國際材料領域知名期刊Advanced Functional Materials(IF: 19.924/Q1),論文的第一作者為福州大學碩士研究生王恒睿和嘉興學院江悅博士,施永乾校聘教授和宋平安教授為論文共同通訊作者。該工作得到了國家自然科學基金(52173070)、福州大學貴重儀器設備開放測試基金(2023T013)和澳大利亞研究理事會(FT190100188, LP220100278)的支持。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202306884


通訊作者簡介


  施永乾:現為福州大學環境與安全工程學院校聘教授,博士生導師,入選福建省高層次人才C類、2022年全球前2%頂尖科學家、福州大學“旗山學者”,中國消防協會第八屆科普教育工作委員會委員、中國消防協會第四屆防火材料委員會委員、中國塑料加工工業協會第五屆專家委員會委員、江蘇省科技副總、寶應縣“星鏈工程”特聘專家。2016年6月獲中國科學技術大學工學博士學位,并于同年10月獲香港城市大學哲學博士學位。研究興趣包括材料熱解與燃燒機制、材料安全評價理論與技術、阻燃多功能材料設計與應用等。截止目前,在Advanced Functional Materials等知名期刊上發表SCI收錄論文130余篇(其中ESI高被引論文11篇/熱點論文1篇),被引用7200余次(H-Index:49),申請和授權專利10余件。主持國家自然科學基金、福建省自然科學基金等科研項目10余項。成果榮獲中國職業安全健康協會科學技術一等獎、中國安全生產協會第二屆安全科技進步二等獎、第十五屆福建省自然科學優秀學術論文一等獎等。擔任Polymers(中科院3區)客座編輯、Frontiers in Materials(中科院3區)副編輯以及American Journal of Chemical Engineering、Current Materials Science等編委和《中國塑料》青年編委。


  宋平安:澳大利亞南昆士蘭大學農業與環境科學學院教授,澳大利亞研究理事會未來研究員(ARC Future Fellow),入選2021和2022年全球前2%頂尖科學家。2009年獲得浙江大學高分子化學與物理專業博士學位。主要致力于高分子材料的共混改性及其結構-性能關系、阻燃劑及阻燃涂層、火災預警等方面的研究。迄今,已主持包括6項國家級項目在內的30余項科研項目。以第一作者和/或通訊作者等在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)等材料和高分子領域的國際知名學術期刊上發表SCI收錄論文230余篇;總被引用達14900余次,H-指數74 (Goolge Scholar),其中ESI高被引論文32篇。研究工作得到Science、澳大利亞ABCNews、MIT技術評論等媒體的廣泛報道;研究工作入選澳大利亞研究理事會年度報告。編寫英文書籍章節2章。目前擔任期刊Sustainable Materials and Technologies(IF: 9.6)的副編輯,以及Compos. Part B: Eng.(IF:13.1)、J. Mater. Sci. Technol. (IF:10.9)和ACS Sustainable Chemistry &Engineering (IF:8.4) 的期刊的編委。

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(責任編輯:xu)
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