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作者及研究机构
本研究的主要作者包括Xuewen Jiang、Qian Wang、Limeng Song、Hongxia Lu、Hongliang Xu、Gang Shao、Hailong Wang、Rui Zhang、Changan Wang和Bingbing Fan。研究团队来自郑州大学材料科学与工程学院、郑州航空工业管理学院航空材料与应用技术河南省重点实验室以及清华大学材料科学与工程学院。该研究于2024年发表在期刊《Carbon Energy》上，DOI为10.1002/cey2.502。
学术背景
随着无线通信技术的快速发展，电磁波（EMW）污染问题日益严重，对人体神经系统和免疫系统造成潜在危害。为了应对这一问题，开发具有轻薄、强吸收和宽带宽特性的电磁波吸收材料成为研究热点。传统的电磁波吸收材料如铁氧体、碳基材料和磁性金属虽然具有良好的吸收性能，但由于其高密度和窄带宽，难以满足现代应用的需求。MXene作为一种新型二维材料，因其高导电性和独特的层状结构受到广泛关注，但其自堆积和过高导电性限制了其作为电磁波吸收材料的性能。因此，本研究旨在通过设计和合成核壳结构的SiO2@MXene@MoS2纳米球，优化阻抗匹配和衰减损耗，从而提升电磁波吸收性能。
研究流程
研究分为以下几个主要步骤：
原材料准备
研究使用了MAX相材料（Ti3AlC2）、氟化锂（LiF）、硫代乙酰胺（C2H5NS）、钼酸钠（Na2MoO4·2H2O）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（3-APTES）、乙醇、盐酸、氨水和正硅酸乙酯（TEOS）等原材料。所有材料均未经过额外纯化，直接使用。
MXene纳米片的制备
采用刻蚀法制备了少层Ti3C2Tx MXene纳米片。具体步骤包括将Ti3AlC2与LiF和HCl混合溶液在35°C下搅拌24小时，随后通过离心和超声处理获得MXene纳米片。
SiO2@MXene纳米球的制备
首先通过溶胶-凝胶法制备SiO2纳米球，然后使用3-APTES对SiO2表面进行改性，使其带正电荷。将改性后的SiO2纳米球与MXene纳米片通过静电自组装结合，形成SiO2@MXene纳米球。
核壳结构SiO2@MXene@MoS2纳米球的合成
采用一步水热法合成核壳结构SiO2@MXene@MoS2纳米球。将SiO2@MXene纳米球与钼酸钠和硫代乙酰胺混合溶液在200°C下反应12小时，最终通过真空干燥获得目标产物。
材料表征
使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）对样品的微观形貌、相组成和化学价态进行表征。通过矢量网络分析仪测定样品的介电常数。
主要结果
1. 材料结构与形貌
SEM和TEM图像显示，SiO2@MXene@MoS2纳米球呈现出独特的花球状结构，MXene纳米片均匀包覆在SiO2表面，MoS2纳米片则在外层形成卷曲结构。XRD和XPS分析证实了材料中Ti3C2Tx MXene、SiO2和MoS2的存在。
电磁波吸收性能
通过介电常数和衰减常数的测定，发现SiO2@MXene@MoS2纳米球具有优化的阻抗匹配和显著的电磁波吸收性能。其中，SiO2@MXene@MoS2-2样品在2.4 mm厚度下表现出最低反射损耗（RLmin）为-52.11 dB，有效吸收带宽（EAB）达到6.72 GHz。
损耗机制分析
Cole-Cole曲线表明，SiO2@MXene@MoS2纳米球具有多种极化损耗机制，包括界面极化和偶极极化。离轴电子全息分析进一步证实了材料界面处的电荷积累，增强了界面极化损耗。
结论
本研究成功合成了核壳结构的SiO2@MXene@MoS2纳米球，显著提升了电磁波吸收性能。通过优化材料组成和结构设计，实现了阻抗匹配和多种损耗机制的协同作用，为开发高性能电磁波吸收材料提供了新的思路。该研究不仅具有重要的科学价值，还为电磁波污染治理提供了潜在的应用解决方案。
研究亮点
1. 创新性结构设计
核壳结构SiO2@MXene@MoS2纳米球通过静电自组装和水热法合成，有效解决了MXene和MoS2的自堆积问题。
2. 优异的电磁波吸收性能
材料在2.4 mm厚度下表现出-52.11 dB的最低反射损耗和6.72 GHz的有效吸收带宽，性能优于大多数已报道的材料。
3. 多种损耗机制
材料通过界面极化、偶极极化和导电损耗等多种机制协同作用，显著提升了电磁波吸收效率。
其他有价值的内容
研究还通过离轴电子全息分析揭示了材料界面处的电荷分布，为理解界面极化机制提供了实验依据。此外，研究团队开发的水热法和静电自组装方法为合成其他核壳结构材料提供了参考。
以上是对该研究的全面报告，涵盖了研究背景、流程、结果、结论及其科学和应用价值。