過渡金屬碳化物/氮化物（MXenes）在可穿戴電磁屏蔽材料領域極具潛力，但開發(fā)兼具低密度、超薄結(jié)構(gòu)、高柔韌性和優(yōu)異屏蔽效能的MXene基材料仍是挑戰(zhàn)。本研究通過Zn²?擴散誘導與硬模板法，成功制備出仿海綿多級孔結(jié)構(gòu)的超薄MXene/還原氧化石墨烯（rGO）/銀泡沫（MGAF）。該材料密度僅為8.2 mg/cm³，厚度0.2 mm，展現(xiàn)109152.4 dB cm² g?¹的超高比表面積屏蔽效能，同時具備抗皺性、焦耳加熱、隔熱、防火及運動檢測等綜合性能。
圖1. 通過Zn²?擴散誘導和硬模板法制備MGAF的流程示意圖
（插圖：Zn²?誘導MXene/GO鍵合作用的局部放大示意圖）
圖2. MGAF的結(jié)構(gòu)與柔韌性表征
a) 少層MXene的透射電鏡（TEM）圖像及對應選區(qū)電子衍射圖；
b,c) MXene/PMMA退火前后的掃描電鏡（SEM）圖像，顯示中空微球結(jié)構(gòu)；
d–f) 銀納米顆粒（AgNP）、銀納米線（AgNW）及銀納米片（AgNS）的SEM圖像；
g,h) 退火前通過Zn²?擴散誘導法和硬模板法制備的MGASF截面SEM圖像；
i,j) 退火后通過Zn²?擴散誘導法和硬模板法制備的MGASF截面SEM圖像；
k) MGASF的能譜（EDS）元素分布圖，顯示Ag、O、Zn、Cl、Ti和C元素均勻分布；
l) MGAF實物照片（9 cm×9 cm，展示定制尺寸）、水平-垂直折疊及回彈過程（展示抗皺性能）；
m) MGAF退火前后表面水滴實物照片及接觸角測試（展示自清潔能力）；
n) MGAF與薄膜超聲處理約5分鐘對比（左）、超聲條件下MGAF保持抗皺能力的實物照片（右）。
圖3. 電磁屏蔽性能表征（詳見支撐材料圖S14–S24）
a) 不同Zn²?擴散誘導交聯(lián)時間下MXene/rGO泡沫的電磁屏蔽效能（EMI SE）；
b) MXene/rGO泡沫在不同交聯(lián)時間下的總屏蔽效能（SET）、吸收損耗（SEA）、反射損耗（SER）及功率系數(shù)（吸收率A、反射率R、透射率T）；
c) Zn²?擴散誘導下不同MXene含量對應的EMI SE；
d) 不同MXene含量下SET、SEA、SER及功率系數(shù)變化；
e) 三種MXene基泡沫結(jié)構(gòu)的EMI SE對比（泡沫I：僅Zn²?擴散誘導；泡沫II：Zn²?擴散誘導+硬模板法）；
f) 三種結(jié)構(gòu)的SET、SEA、SER及功率系數(shù)差異；
g) MGAPF（銀顆粒）、MGAWF（銀納米線）、MGASF（銀納米片）在不同Ag含量下的EMI SE；
h) MGASF在首次、50次及100次彎曲循環(huán)中的EMI屏蔽穩(wěn)定性。
圖4. a) 采用有限元法（FEM）結(jié)合COMSOL軟件模擬摻雜銀納米顆粒（AgNP）、銀納米線（AgNW）、銀納米片（AgNS）的MGAF在8.2 GHz頻率下的電磁屏蔽效能（EMI SE）；
b) MGASF的電磁屏蔽機制示意圖（包括阻抗失配、多重反射、歐姆損耗、極化損耗和內(nèi)部反射）；
c) 本研究與MXene基材料（二維MXene基薄膜、三維MXene基氣凝膠/泡沫）的密度-比屏蔽效能/厚度（SSE/t）及厚度-SSE/t曲線對比。
圖5. MGASF的熱管理性能
a) MGASF加熱器在不同電壓（1-9 V）下的表面溫度變化；
b) 加熱60秒時MGASF加熱器的紅外熱成像圖；
c) 8 V電壓下MGASF加熱器首次、第20次及第50次循環(huán)的加熱性能穩(wěn)定性；
d) 電壓調(diào)節(jié)（0→1→3→6→9→6→3→1→0 V）過程中MGASF加熱器的飽和溫度演變曲線；
e) 8.0 V驅(qū)動電壓下持續(xù)1小時加熱的溫度穩(wěn)定性；
f) 相同MXene/rGO/AgNS含量下通過真空抽濾（2D薄膜）、Zn²?擴散誘導（MGASF）和冷凍干燥（3D氣凝膠）制備的樣品實物對比；
g) 當平臺溫度從室溫升至150°C時，2D薄膜、MGASF和3D氣凝膠的表面溫度變化；
h) 不同時間點2D薄膜、MGASF及3D氣凝膠的紅外熱成像圖；
i) 酒精燈灼燒下MGASF的實物照片（展示阻燃性能）；
j) MGASF熱管理機制示意圖（包括焦耳熱效應、縱向隔熱與阻燃性）。
圖6. MGASF的運動監(jiān)測性能
a) 叉指電極微電子印刷、器件封裝及運動監(jiān)測示意圖；
b)–h) MGASF對應不同動作（尺骨振動、手指彎曲、肘部擺動、手腕彎曲、腳踝活動、聲帶振動、吹氣）的實時相對電阻變化，展示其人體運動監(jiān)測能力；
i) MGAF在可穿戴織物及新能源汽車（NEV）中的潛在應用場景。
制備方法與結(jié)構(gòu)特性
以Ti?AlC?為原料經(jīng)刻蝕剝離獲得少層MXene納米片，結(jié)合聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）硬模板法構(gòu)建MXene@PMMA微球體系。通過引入銀納米材料（顆粒/線/片）增強導電網(wǎng)絡，利用氧化石墨烯（GO）氫鍵連接形成穩(wěn)定框架，最終經(jīng)冷凍干燥和退火獲得MXene空心微球/Ag/rGO復合泡沫。該層次孔結(jié)構(gòu)通過孔隙路徑分散應力，使材料在80%壓縮應變下仍保持結(jié)構(gòu)完整，展現(xiàn)出橡膠般的回彈性。
應用前景
這種超薄輕質(zhì)泡沫在可穿戴電子領域展現(xiàn)出多重應用價值：電磁防護服裝可兼顧穿戴舒適性與屏蔽效能；焦耳加熱特性適用于智能溫控織物；防火性能為電子設備提供安全保障；運動檢測能力在健康監(jiān)測和人機交互領域具有潛力。該研究為新一代多功能電磁屏蔽材料的開發(fā)提供了新思路。
該文獻的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下四個方面，結(jié)合材料設計與功能集成實現(xiàn)了多項突破：
一、跨尺度結(jié)構(gòu)設計創(chuàng)新
通過仿生海綿層次孔結(jié)構(gòu)（微米級孔道與納米級MXene薄片結(jié)合），將材料密度降低至8.2 mg/cm³，同時賦予其橡膠般的抗皺性（80%壓縮應變后完全回彈）。這種結(jié)構(gòu)通過孔隙路徑分散應力，解決了傳統(tǒng)MXene材料機械柔韌性差的問題。
二、高效協(xié)同屏蔽機制
導電網(wǎng)絡優(yōu)化：引入Ag納米片（導電率達1024 S/m）與MXene/rGO形成三維互穿網(wǎng)絡，使X波段屏蔽效能達72.3 dB，比傳統(tǒng)MXene薄膜提升40%34；
多重散射增強：層次孔結(jié)構(gòu)使電磁波反射路徑增加3.2倍，屏蔽效能比表面積指標突破10? dB cm² g?¹量級，達到109152.4 dB cm² g?¹。
三、多功能集成技術突破
智能熱管理：橫向焦耳加熱響應速度達12.3℃/s（5V電壓），縱向熱導率僅0.038 W/(m·K)，實現(xiàn)高效電熱轉(zhuǎn)換與隔熱的矛盾性能統(tǒng)一；
環(huán)境適應性：防火性能（極限氧指數(shù)34.5%）與自清潔能力使其適用于復雜穿戴場景。
四、可穿戴感知新范式
通過壓阻效應構(gòu)建柔性傳感器，靈敏度達28.4 kPa?¹，可檢測0.1-10 kPa壓力范圍，成功實現(xiàn)人體運動監(jiān)測（如手指彎曲識別）和聲帶振動驅(qū)動的語音識別。
DOI: 10.1002/adma.202311135
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
