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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(jī)械超彈性且堅(jiān)固、空氣穩(wěn)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(yīng)用場(chǎng)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(shí)現(xiàn)可定制的多孔結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的機(jī)械彈性和所需的抗氧化能力,制造成本低廉、機(jī)械超彈性、空氣穩(wěn)定且耐用的MXene氣凝膠實(shí)現(xiàn)有效的EMI保護(hù)一直是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。


  近期,福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院施永乾教授/澳大利亞南昆士蘭大學(xué)農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院宋平安教授合作報(bào)告了一種機(jī)械超彈性且堅(jiān)固、空氣穩(wěn)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(jī)械超彈性和堅(jiān)固性、阻燃性、隔熱性和耐候性(圖1)。該團(tuán)隊(duì)受芯片封裝思想啟發(fā),提出一種氣凝膠表面封裝設(shè)計(jì)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(jìn)行表面封裝,構(gòu)筑了多功能MXene復(fù)合氣凝膠(圖2)。這一新穎的概念設(shè)計(jì)大大有助于解決潛在工業(yè)應(yīng)用的三個(gè)關(guān)鍵問題:(1)克服MXene的低利用效率。盡管目前許多學(xué)者都在從事MXene氣凝膠/泡沫的研究,但據(jù)統(tǒng)計(jì),目前MXene相關(guān)氣凝膠/海綿在電磁屏蔽領(lǐng)域的MXene利用效率明顯較低,這需要一定量的MXene負(fù)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(bào)道的MXene氣凝膠傾向于被氧化,這將導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中性能的損失。(3)解決機(jī)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(shí)際應(yīng)用。這項(xiàng)工作為創(chuàng)建多功能火安全氣凝膠提供了一種簡(jiǎn)便的策略,該氣凝膠在EMI防護(hù)、智能火災(zāi)監(jiān)控、可穿戴設(shè)備、熱管理、人體健康檢測(cè)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。 


圖1.多功能氣凝膠的性能及其應(yīng)用 


2.氣凝膠的構(gòu)筑及其結(jié)構(gòu)與性能比較


  所制備的氣凝膠表現(xiàn)出獨(dú)特的異質(zhì)多孔結(jié)構(gòu),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(huì)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(huán)后仍能保持其機(jī)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(dá)93.5dB,而且MXene的EMI利用效率達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄水平,高達(dá)2977.71dB/g·g-1,是文獻(xiàn)報(bào)道最高值的3倍以上。由于受到阻燃TPU封裝保護(hù),制備的氣凝膠表現(xiàn)出優(yōu)異的耐侯性。此外,該氣凝膠在火災(zāi)預(yù)警、隔熱、壓力傳感、吸波等領(lǐng)域具有明顯的應(yīng)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(jìn)MXene在工業(yè)環(huán)境中的實(shí)際應(yīng)用。 


3.氣凝膠優(yōu)異的EMI效能 


圖4.氣凝膠出色的耐用性和機(jī)械堅(jiān)固性


5.氣凝膠的火災(zāi)預(yù)警、隔熱、壓力傳感和吸波性能


  相關(guān)成果以“Hyperelastic, Robust, Fire-Safe Multifunctional MXene Aerogels with Unprecedented Electromagnetic Interference Shielding Efficiency”為題發(fā)表在國際材料領(lǐng)域知名期刊Advanced Functional Materials(IF: 19.924/Q1),論文的第一作者為福州大學(xué)碩士研究生王恒睿和嘉興學(xué)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(xué)基金(52173070)、福州大學(xué)貴重儀器設(shè)備開放測(cè)試基金(2023T013)和澳大利亞研究理事會(huì)(FT190100188, LP220100278)的支持。


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


通訊作者簡(jiǎn)介


  施永乾:現(xiàn)為福州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院校聘教授,博士生導(dǎo)師,入選福建省高層次人才C類、2022年全球前2%頂尖科學(xué)家、福州大學(xué)“旗山學(xué)者”,中國消防協(xié)會(huì)第八屆科普教育工作委員會(huì)委員、中國消防協(xié)會(huì)第四屆防火材料委員會(huì)委員、中國塑料加工工業(yè)協(xié)會(huì)第五屆專家委員會(huì)委員、江蘇省科技副總、寶應(yīng)縣“星鏈工程”特聘專家。2016年6月獲中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位,并于同年10月獲香港城市大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。研究興趣包括材料熱解與燃燒機(jī)制、材料安全評(píng)價(jià)理論與技術(shù)、阻燃多功能材料設(shè)計(jì)與應(yīng)用等。截止目前,在Advanced Functional Materials等知名期刊上發(fā)表SCI收錄論文130余篇(其中ESI高被引論文11篇/熱點(diǎn)論文1篇),被引用7200余次(H-Index:49),申請(qǐng)和授權(quán)專利10余件。主持國家自然科學(xué)基金、福建省自然科學(xué)基金等科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。成果榮獲中國職業(yè)安全健康協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)、中國安全生產(chǎn)協(xié)會(huì)第二屆安全科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、第十五屆福建省自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎(jiǎng)等。擔(dān)任Polymers(中科院3區(qū))客座編輯、Frontiers in Materials(中科院3區(qū))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(xué)農(nóng)業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院教授,澳大利亞研究理事會(huì)未來研究員(ARC Future Fellow),入選2021和2022年全球前2%頂尖科學(xué)家。2009年獲得浙江大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)博士學(xué)位。主要致力于高分子材料的共混改性及其結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系、阻燃劑及阻燃涂層、火災(zāi)預(yù)警等方面的研究。迄今,已主持包括6項(xiàng)國家級(jí)項(xiàng)目在內(nèi)的30余項(xiàng)科研項(xiàng)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(lǐng)域的國際知名學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表SCI收錄論文230余篇;總被引用達(dá)14900余次,H-指數(shù)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(shù)評(píng)論等媒體的廣泛報(bào)道;研究工作入選澳大利亞研究理事會(huì)年度報(bào)告。編寫英文書籍章節(jié)2章。目前擔(dān)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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