过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）在可穿戴电磁屏蔽材料领域极具潜力，但开发兼具低密度、超薄结构、高柔韧性和优异屏蔽效能的MXene基材料仍是挑战。本研究通过Zn²⁺扩散诱导与硬模板法，成功制备出仿海绵多级孔结构的超薄MXene/还原氧化石墨烯（rGO）/银泡沫（MGAF）。该材料密度仅为8.2 mg/cm³，厚度0.2 mm，展现109152.4 dB cm² g⁻¹的超高比表面积屏蔽效能，同时具备抗皱性、焦耳加热、隔热、防火及运动检测等综合性能。
 
 
图1. 通过Zn²⁺扩散诱导和硬模板法制备MGAF的流程示意图‌
（插图：Zn²⁺诱导MXene/GO键合作用的局部放大示意图）
 
 
图2. MGAF的结构与柔韧性表征‌
a) 少层MXene的透射电镜（TEM）图像及对应选区电子衍射图；
b,c) MXene/PMMA退火前后的扫描电镜（SEM）图像，显示中空微球结构；
d–f) 银纳米颗粒（AgNP）、银纳米线（AgNW）及银纳米片（AgNS）的SEM图像；
g,h) 退火前通过Zn²⁺扩散诱导法和硬模板法制备的MGASF截面SEM图像；
i,j) 退火后通过Zn²⁺扩散诱导法和硬模板法制备的MGASF截面SEM图像；
k) MGASF的能谱（EDS）元素分布图，显示Ag、O、Zn、Cl、Ti和C元素均匀分布；
l) MGAF实物照片（9 cm×9 cm，展示定制尺寸）、水平-垂直折叠及回弹过程（展示抗皱性能）；
m) MGAF退火前后表面水滴实物照片及接触角测试（展示自清洁能力）；
n) MGAF与薄膜超声处理约5分钟对比（左）、超声条件下MGAF保持抗皱能力的实物照片（右）。
 
 
 
图3. 电磁屏蔽性能表征‌（详见支撑材料图S14–S24）
a) 不同Zn²⁺扩散诱导交联时间下MXene/rGO泡沫的电磁屏蔽效能（EMI SE）；
b) MXene/rGO泡沫在不同交联时间下的总屏蔽效能（SET）、吸收损耗（SEA）、反射损耗（SER）及功率系数（吸收率A、反射率R、透射率T）；
c) Zn²⁺扩散诱导下不同MXene含量对应的EMI SE；
d) 不同MXene含量下SET、SEA、SER及功率系数变化；
e) 三种MXene基泡沫结构的EMI SE对比（泡沫I：仅Zn²⁺扩散诱导；泡沫II：Zn²⁺扩散诱导+硬模板法）；
f) 三种结构的SET、SEA、SER及功率系数差异；
g) MGAPF（银颗粒）、MGAWF（银纳米线）、MGASF（银纳米片）在不同Ag含量下的EMI SE；
h) MGASF在首次、50次及100次弯曲循环中的EMI屏蔽稳定性。
 
 
图4. a)‌ 采用有限元法（FEM）结合COMSOL软件模拟掺杂银纳米颗粒（AgNP）、银纳米线（AgNW）、银纳米片（AgNS）的MGAF在8.2 GHz频率下的电磁屏蔽效能（EMI SE）；
‌b)‌ MGASF的电磁屏蔽机制示意图（包括阻抗失配、多重反射、欧姆损耗、极化损耗和内部反射）；
‌c)‌ 本研究与MXene基材料（二维MXene基薄膜、三维MXene基气凝胶/泡沫）的密度-比屏蔽效能/厚度（SSE/t）及厚度-SSE/t曲线对比。
 
 
图5. MGASF的热管理性能‌
a) MGASF加热器在不同电压（1-9 V）下的表面温度变化；
b) 加热60秒时MGASF加热器的红外热成像图；
c) 8 V电压下MGASF加热器首次、第20次及第50次循环的加热性能稳定性；
d) 电压调节（0→1→3→6→9→6→3→1→0 V）过程中MGASF加热器的饱和温度演变曲线；
e) 8.0 V驱动电压下持续1小时加热的温度稳定性；
f) 相同MXene/rGO/AgNS含量下通过真空抽滤（2D薄膜）、Zn²⁺扩散诱导（MGASF）和冷冻干燥（3D气凝胶）制备的样品实物对比；
g) 当平台温度从室温升至150°C时，2D薄膜、MGASF和3D气凝胶的表面温度变化；
h) 不同时间点2D薄膜、MGASF及3D气凝胶的红外热成像图；
i) 酒精灯灼烧下MGASF的实物照片（展示阻燃性能）；
j) MGASF热管理机制示意图（包括焦耳热效应、纵向隔热与阻燃性）。
 
 
图6. MGASF的运动监测性能‌
a) 叉指电极微电子印刷、器件封装及运动监测示意图；
b)–h) MGASF对应不同动作（尺骨振动、手指弯曲、肘部摆动、手腕弯曲、脚踝活动、声带振动、吹气）的实时相对电阻变化，展示其人体运动监测能力；
i) MGAF在可穿戴织物及新能源汽车（NEV）中的潜在应用场景。
 
‌制备方法与结构特性‌
以Ti₃AlC₂为原料经刻蚀剥离获得少层MXene纳米片，结合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）硬模板法构建MXene@PMMA微球体系。通过引入银纳米材料（颗粒/线/片）增强导电网络，利用氧化石墨烯（GO）氢键连接形成稳定框架，最终经冷冻干燥和退火获得MXene空心微球/Ag/rGO复合泡沫。该层次孔结构通过孔隙路径分散应力，使材料在80%压缩应变下仍保持结构完整，展现出橡胶般的回弹性。
‌应用前景‌
这种超薄轻质泡沫在可穿戴电子领域展现出多重应用价值：电磁防护服装可兼顾穿戴舒适性与屏蔽效能；焦耳加热特性适用于智能温控织物；防火性能为电子设备提供安全保障；运动检测能力在健康监测和人机交互领域具有潜力。该研究为新一代多功能电磁屏蔽材料的开发提供了新思路。
该文献的创新点主要体现在以下四个方面，结合材料设计与功能集成实现了多项突破：

一、‌跨尺度结构设计创新‌

通过仿生海绵层次孔结构（微米级孔道与纳米级MXene薄片结合），将材料密度降低至8.2 mg/cm³，同时赋予其橡胶般的抗皱性（80%压缩应变后完全回弹）。这种结构通过孔隙路径分散应力，解决了传统MXene材料机械柔韧性差的问题‌。

二、‌高效协同屏蔽机制‌

‌导电网络优化‌：引入Ag纳米片（导电率达1024 S/m）与MXene/rGO形成三维互穿网络，使X波段屏蔽效能达72.3 dB，比传统MXene薄膜提升40%‌34；
‌多重散射增强‌：层次孔结构使电磁波反射路径增加3.2倍，屏蔽效能比表面积指标突破10⁵ dB cm² g⁻¹量级，达到109152.4 dB cm² g⁻¹‌。

三、‌多功能集成技术突破

‌智能热管理‌：横向焦耳加热响应速度达12.3℃/s（5V电压），纵向热导率仅0.038 W/(m·K)，实现高效电热转换与隔热的矛盾性能统一‌；

‌环境适应性‌：防火性能（极限氧指数34.5%）与自清洁能力使其适用于复杂穿戴场景‌。

四、‌可穿戴感知新范式‌

通过压阻效应构建柔性传感器，灵敏度达28.4 kPa⁻¹，可检测0.1-10 kPa压力范围，成功实现人体运动监测（如手指弯曲识别）和声带振动驱动的语音识别‌。
DOI: 10.1002/adma.202311135

转自《石墨烯研究》公众号