通过界面工程和调控MnO?的形态，实现了MXene/MnO?复合材料中的协同微波吸收效应

《Materials Today Physics》：Synergistic microwave absorption in MXene/MnO 2 composites achieved through interfacial engineering and controlled MnO 2 morphology

两维Ti3C2Tx MXene与多孔MnO2晶柱复合结构通过氢离子浓度-温度协同调控实现，在1.0mm厚度下获得16.64GHz处-60.04dB最小反射损耗。异质界面工程与结构协同效应显著提升微波吸收性能，为高realisability微波吸波材料设计提供新途径。

　　在现代科技迅速发展的背景下，电磁波（EMW）技术不仅推动了社会的进步，也显著提升了人们的生活质量。然而，这种技术的广泛应用也带来了一系列负面影响，如电磁辐射、信息泄露以及对军事设备安全的威胁。因此，开发高效的电磁波吸收（EWA）材料成为应对电磁污染的重要手段。目前，陶瓷、碳材料、磁性金属及其复合材料已被广泛研究并用于减轻这些影响。然而，为了进一步提升材料的性能，优化其结构设计显得尤为重要。

MXene作为一种新型二维金属碳化物材料，因其独特的结构特性在电磁波吸收领域展现出巨大潜力。特别是多层MXene，其具有类似accordion（accordion-like）的结构，能够延长入射电磁波在材料内部的传播路径，从而实现更有效的能量耗散。这种结构优势使得MXene在电磁波吸收材料中备受关注。通常，Ti?C?T? MXene是通过从MAX陶瓷中选择性去除金属层制备而成。此外，蚀刻工艺条件（如蚀刻时间、浓度）的变化会导致形成多层或少层MXene，而少层MXene的导电性明显低于多层MXene。

不同于需要极高导电性的电磁屏蔽材料，电磁波吸收材料要求具有适当的导电性以实现阻抗匹配的平衡。如果导电性过高或过低，都会导致阻抗失衡，使得大部分入射电磁波无法进入材料内部，而是直接反射，从而阻碍其进一步耗散。因此，通过构建异质界面或层间空隙等结构，可以有效调节导电性，并引入极化损耗。在这一背景下，合理地将功能性组分整合到MXene层间，成为协同优化阻抗匹配和能量耗散机制的关键。

近年来，研究者们通过引入第二组分构建异质结构，成为提升MXene基电磁波吸收性能的重要策略。除了MXene本身氧化生成的TiO?外，研究者还引入了诸如MnO?、ZnO、SiC和MoS?等半导体材料。这些材料不仅具有适中的介电常数，而且能够更高效地与多层MXene形成异质结，从而提升材料的阻抗匹配能力。其中，MnO?因其宽禁带、轻质、多功能、低成本、易于制备以及环保特性而备受青睐。

为了进一步提升MnO?的电磁波吸收性能，研究者们设计并制备了具有特殊形貌的MnO?材料，这种材料能够引起多重反射和散射，从而延长微波的传播路径，并消耗更多的电磁能量。因此，除了通过添加单元来提升性能外，独特的结构设计，特别是异质界面的构建，对于提升电磁波吸收性能至关重要。研究表明，构建MXene层间的空腔结构可以有效扩展层间距，延长电子传输路径，并加速电子传输速度，从而形成高效的导电网络，显著增强MXene与空气之间的界面极化，有助于进一步衰减电磁波并提升电磁波吸收性能。

本文提出了一种简便的新策略，通过调节氢离子浓度和水热温度，制备具有不同空心程度的MnO?晶体柱的MXene/MnO?复合材料。这种复合材料由生长在多层MXene层间的MnO?晶体柱组成，超越了许多传统材料复合方法。MnO?晶体柱的引入不仅为材料提供了电子传输的通道，还为复合材料带来了大量的异质结，从而提升了材料的电磁波吸收能力。此外，MnO?的引入也使复合材料能够获得更好的阻抗匹配条件，使得更多的电磁波能够进入材料内部，而不是直接反射。

通过调节MnO?晶体柱的微观形貌，可以有效控制其介电损耗能力和阻抗匹配特性。本文详细研究了原料配比和水热温度对样品的微观结构、化学结构、结晶度以及电磁波吸收能力的影响。基于实验和理论分析，本文阐明了样品生长的机制。所提出的方法为设计和生产具有高可实现性的高性能微波吸收材料奠定了基础。

在材料制备过程中，Ti?AlC? MAX粉末（纯度≥98 wt%）由吉林11科技公司提供，锂氟化物（LiF）、盐酸（HCl）、氢氟酸（HF）和高锰酸钾（KMnO?）则由国药化学试剂公司提供。实验中使用的水为去离子水。制备多层Ti?C?T? MXene的过程如下：首先，将1克MAX粉末缓慢加入10毫升40%的HF溶液中，并在油浴中于35°C搅拌24小时。反应结束后，将产物用去离子水以3500转/分钟的速度离心3-5次，以去除多余的HF并获得纯净的MXene粉末。

为了实现更高效的电磁波吸收，本文设计了三种MXene基复合材料，其制备过程如图1所示。首先，使用氢氟酸蚀刻MAX粉末中的Al层，随后通过冷冻干燥技术获得多层MXene粉末。值得注意的是，MXene在氧气和水分存在下，尤其是在高温条件下，极易发生氧化。因此，在本研究中，仅在水热反应器中添加蚀刻后的MXene粉末，而不添加MnO?前驱体，以避免氧化问题。这种方法不仅保证了MXene的稳定性，还为后续MnO?晶体柱的生长提供了良好的环境。

通过调节氢离子浓度和水热温度，研究者成功控制了MnO?晶体柱的形貌。不同浓度的氢离子和不同温度的水热反应使得MnO?晶体柱呈现出多种结构特征，包括实心、半空心和空心结构。其中，空心结构的MnO?晶体柱由于其较大的孔径，能够显著增强电子传输的效率。这一结构特性使得材料的电磁波吸收性能得到了显著提升，特别是在高频段表现尤为突出。例如，一种包含空心四棱柱形MnO?晶体柱的复合材料在16.64 GHz时实现了最低反射损耗（RLmin）为?60.04 dB，其厚度仅为1.0 mm，显示出极高的性能优势。

此外，本文对复合材料系列在电磁波吸收性能上的差异进行了全面讨论，分析了其微观损耗机制。研究发现，不同形貌的MnO?晶体柱对电磁波的吸收能力产生了显著影响。空心结构的MnO?晶体柱由于其较大的孔径和更长的电子传输路径，能够有效增强电子的传输速度，并提升界面极化能力，从而进一步衰减电磁波。这种结构设计不仅提升了材料的电磁波吸收性能，还为实际应用提供了更大的可能性。

为了进一步验证这些结构设计对电磁波吸收性能的影响，本文还通过实验手段对样品的微观结构、化学结构、结晶度以及电磁波吸收能力进行了系统研究。研究结果表明，通过优化氢离子浓度和水热温度，可以有效控制MnO?晶体柱的形貌，从而提升复合材料的性能。不同形貌的MnO?晶体柱在电磁波吸收性能上表现出不同的特性，其中空心结构的MnO?晶体柱在高频段表现最佳。

通过实验和理论分析，本文阐明了样品生长的机制。研究发现，氢离子浓度和水热温度的协同调控能够有效影响MnO?晶体柱的形貌和结构。这一发现为未来设计高性能MXene基微波吸收材料提供了新的思路。此外，本文还强调了结构设计在提升电磁波吸收性能中的关键作用，特别是在构建异质界面和层间空隙方面。

本研究的成果表明，通过合理的结构设计和材料选择，可以显著提升MXene基复合材料的电磁波吸收性能。MnO?晶体柱的引入不仅增强了材料的导电性，还为材料提供了更多的异质界面，从而提升了电磁波的吸收效率。这种结构设计为实际应用提供了更大的可能性，特别是在高频段的电磁波吸收方面。此外，本文还强调了实验和理论分析在材料设计中的重要性，为未来研究提供了新的方向。

通过这一研究，我们不仅获得了对MXene基复合材料结构设计的深入理解，还为提升其电磁波吸收性能提供了有效的策略。这些策略包括通过调节氢离子浓度和水热温度控制MnO?晶体柱的形貌，以及通过构建异质界面和层间空隙提升材料的性能。此外，本文还对不同形貌的MnO?晶体柱在电磁波吸收性能上的差异进行了详细分析，为未来的材料设计提供了参考。

综上所述，本文通过调节氢离子浓度和水热温度，成功制备了具有不同空心程度的MnO?晶体柱的MXene/MnO?复合材料。这种复合材料不仅在结构上具有优势，而且在电磁波吸收性能上表现出显著提升。研究结果表明，MnO?晶体柱的引入能够有效增强电子传输效率，并提升界面极化能力，从而显著增强材料的电磁波吸收性能。本文的研究成果为设计和生产高性能微波吸收材料提供了新的思路和方法，具有重要的应用价值。