利用微波辅助技术构建Ta2CTx MXene/CuInS2异质结构，以提升介电损耗并增强宽带电磁波吸收性能

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Microwave assisted construction of Ta2CTx MXene/CuInS2 heterostructures toward enhanced dielectric loss and broadband electromagnetic wave absorption

Ta?CT? MXene/CuInS?复合材料通过HF蚀刻和微波辅助合成制备，厚度1.5mm时实现4.48GHz有效吸收带宽，较纯MXene提升5.6倍，归因于CuInS?增强介电损耗和导电网络形成。

　　

帅张|海峰李|世杰张|顺王|苏璇杜|志伟赵|晓苗赵|晓伟梁

河南工业大学材料科学与工程学院，中国河南省郑州市450001

摘要

MXene在电磁波吸收（EWA）领域的应用日益广泛。为了探索更多类型MXene的潜力，本研究通过HF蚀刻成功合成了Ta₂CT_x MXene，并随后使用微波辅助化学合成系统制备了一系列Ta₂CT_x MXene/CuInS₂复合材料。在2.9毫米的薄厚度和50 wt%的填料负载下，Ta₂CT_x样品表现出最佳的最小反射损耗（RL_min）为?27.61 dB，有效吸收带宽（EAB）为0.8 GHz。相比之下，在相同的填料负载条件下，Ta₂CT_x MXene/CuInS₂-50复合材料的EAB在1.5毫米的更薄厚度下显著提高至4.48 GHz。这种性能的提升归因于CuInS₂的加入改善了阻抗匹配并增加了介电损耗。此外，这两种组分形成的多层片状结构建立了连续的导电网络，通过多次反射和导电损耗有效耗散了电磁能量。最终，本研究为基于Ta₂CT_x MXene材料开发高效吸收器提供了可行的策略。

引言

随着无线通信技术的广泛应用，由于各种电子和电气设备的存在，电磁波变得无处不在，导致了严重的电磁污染[1], [2], [3], [4], [5], [6], [7]。为了解决这些问题，人们开发了各种电磁屏蔽和吸波材料来控制电磁波的传播[8], [9], [10], [11]。普遍认为，EWA材料应具有最小的反射和透射[12], [13], [14], [15], [16]。电导率、磁导率和阻抗匹配条件通常被认为是决定吸收性能的关键因素[17], [18], [19], [20]。通过调整电磁参数可以调节阻抗匹配特性[21], [22], [23]。吸收的电磁能量通过多种损耗机制耗散，包括介电损耗和磁损耗[24], [25], [26], [27]。然而，仅依赖单一损耗机制的材料往往难以同时实现最佳厚度、轻质特性、宽带宽和高效率。因此，结合两种或更多具有不同损耗机制的材料已成为调节电磁参数的常用策略[28], [29], [30], [31]。

二维材料由于其独特的层状结构和较大的比表面积，在电磁波吸收（EWA）领域得到了广泛应用[32], [33], [34], [35]。作为代表性的二维材料，MXene近年来因其独特的性质而引起了广泛的研究兴趣。其高电导率和可调的表面化学性质使得它主要通过导电损耗机制有效耗散电磁波能量。然而，纯MXene的高电导率会导致与自由空间的阻抗不匹配，使得入射电磁波在材料表面发生强烈反射，从而限制了其在材料内部的穿透和吸收。因此，可以将其他材料掺入复合材料中以增强其电磁性能。Li等人[36]制备的Ti₃C₂T_x MXene/ZnIn₂S₄在1.5毫米的厚度下有效吸收带宽（EAB）达到4.8 GHz，最小反射损耗（RL_min）为?38.5 dB。另一组研究人员[37]制备的聚氨酯/MXene@Fe₃O₄在2毫米的吸收厚度下表现出最小反射损耗（RL_min为?27.14 dB，EAB为2.05 GHz。

目前，MXene复合材料已经展示了出色的性能，但这些进展主要基于Ti₃C₂T_x等MXene材料的复合材料。作为五维过渡金属碳化物，Ta₂CT_x表现出金属电子特性，有助于构建高效的电荷传输路径，从而在交变电磁场下增强导电损耗[38], [39], [40]。此外，其可调的层间距可以促进多次散射事件，延长入射微波的传播路径。同时，Ta₂CT_x上的丰富表面官能团（如–O、–OH和–F）以及边缘和缺陷位点可作为活性极化中心，有利于偶极极化和界面极化松弛，从而在阻抗匹配和衰减能力之间取得良好的平衡。

因此，本研究探讨了Ta₂CT_x MXene的制备，并研究了其在EWA领域的性能。同时，由于其与MXene共享的物理化学性质，需要用不同电负性的材料对其进行改性。这种组合改变了材料的能带结构，导致电荷在界面附近积累和转移，影响电荷载流子的定向传输，进而影响导电损耗[41]。材料中的表面官能团和缺陷可以诱导偶极极化，影响极化损耗[42]。基于以上特点，可以通过界面和缺陷结构优化电磁性能。CuInS₂是一种优秀的候选材料，具有高吸收系数（约10⁵ cm^?1）和合适的带隙（约1.5 eV[43]）。其层状结构提供了增强的界面极化，而表面缺陷和S空位进一步改善了载流子传输，从而增加了导电损耗[44]。传统的水热法制备CuInS₂通常需要在160 °C下处理12小时，而微波辅助合成可以将反应时间缩短至约2小时甚至更短[45], [46]。

在本研究中，通过使用微波化学合成装置在Ta₂CT_x表面原位合成CuInS₂，制备了Ta₂CT_x/CuInS₂复合材料。与纯Ta₂CT_x（MX）和CuInS₂（CIS）相比，Ta₂CT_x/CuInS₂（MX/CIS）在EWA方面表现出更优的性能。MX在2.9毫米的最小厚度下实现了最小反射损耗（RL_min为?27.61 dB，EAB为2.05 GHz。MX/CIS-50在1.3毫米的最小厚度下实现了最小反射损耗（RL_min为?17.64 dB，在1.5毫米的厚度下达到了4.48 GHz的EAB。这项研究为在EMA领域应用更多种类的MXene及其复合材料奠定了更坚实的理论基础。

材料

Ta₂AlC MAX相[47]、HF（AR，40 wt%）、二甲基亚砜（DMSO）、二氯甲烷（DCM）、氯化铜二水合物（CuCl₂·2H₂O）、四水合氯化铟（InCl₃·4H₂O）和硫代乙酰胺（TAA）均为分析级，由Aladdin有限公司（上海，中国）提供。本研究中使用的去离子水来自实验室用水净化系统。

MX的制备

在含有20 mL氢氟酸的特氟龙烧杯中，分批缓慢加入2 g Ta₂AlC粉末

结果与讨论

本研究采用复合策略将Ta₂CT_x MXene与CuInS₂结合，从而制备了一系列MX/CIS复合材料。图1a展示了合成过程的示意图。具体来说，2 g Ta₂AlC在40 °C下逐渐加入20 mL 40 wt%的HF中，并在搅拌条件下蚀刻36小时。用去离子水反复洗涤直至上清液呈中性后，收集上清液并冷冻干燥，得到Ta₂CT_x MXene

结论

通过氢氟酸蚀刻，成功获得了类似手风琴结构的Ta₂CT_x。随后，使用微波化学合成装置在其表面原位合成了CIS，制备了一系列MX/CIS复合材料。CIS的加入改善了MX的阻抗匹配，并引入了额外的损耗机制，从而增强了材料的EWA性能。在2.6毫米的匹配厚度下，MX实现了最小反射损耗（RL_min为?27.61 dB和最大有效吸收带宽（EAB）为0.8 GHz

作者贡献声明

晓苗赵：正式分析、数据管理。 苏璇杜：正式分析、数据管理。 志伟赵：方法学研究、实验设计。 晓伟梁：正式分析、数据管理。 世杰张：项目监督、概念构思。 顺王：方法学研究、实验设计。 帅张：初稿撰写。 海峰李：审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：52302362、12304009）、河南工业大学青年骨干教师培养计划（编号：21421297）、河南工业大学创新人才培养计划（编号：21421318）、河南省教育厅科技基金会（编号：24A140010）以及河南省重点科学技术研究项目的资助。