热管理涉及到人类活动的方方面面，如服装和建筑物的保暖，电子设备和空间飞行器的散热等。在温度调节过程中通常需要消耗大量的能量，如生活中必不可少的空调。随着碳中和目标的确立，减少能量消耗成为热管理技术发展的重要方向。和主动控温技术相比，利用材料自身的热辐射特性来实现温度被动调节将大幅减少能量消耗，而且不需要配置额外的温控设备。然而，如何在超薄的薄膜材料中既能辐射致热又能致冷面临着诸多挑战。
针对上述发展目标和技术挑战，我院韩美康课题组与美国德雷塞尔大学Yury Gogotsi教授和宾夕法尼亚大学Vivek B. Shenoy教授课题组合作报道了二维过渡金属碳化物（MXene）的红外发射特性以及潜在的热辐射应用（Materials Today, 2023, DOI: 10.1016/j.mattod.2023.02.024）。该工作系统地研究了10种不同MXene薄膜从室温到高温（400 ℃）的红外发射率（图1）。结果表明，200 nm厚的Ti3C2Tx薄膜具有超低红外发射率，在3-25 μm波长范围仅为0.06，和表面光滑的金纳米涂层相当。而且，在高温环境下仍保持良好的低红外发射特性。因此，Ti3C2Tx具备良好的保温应用潜力，如衣服的保温层。与之相反，Nb2CTx薄膜则表现了高红外发射率，达到~0.6。这意味着可以利用不同MXene实现红外辐射能力的调控。更重要的是，利用MXene组分和原子结构的调控，如固溶体结构MXene，可以实现红外发射率的精准调控。
图1、MXene的红外辐射特性。（a）MXene红外发射和反射示意图；（b）不同MXene组分的红外发射率（1-25 μm）；（c）MXene红外发射率和电导率间的关系；（d）MXene和传统低红外发射材料的对比。
在同一个材料体系中具备宽域可调的红外辐射特性是罕见的，MXene有望既实现辐射致热又实现辐射致冷。而且，不同于传统材料，MXene同时展现了丰富的光学特性，在视觉上颜色各异，如紫色的Ti3C2Tx、金色的Nb2CTx、绿色的Ti2CTx等。因此，除了热管理应用外，丰富的光学和红外特性使MXene拥有了独特的识别能力（图2）。例如，不同的MXene组合在光学相机和红外相机中展现完全不同的颜色，有望用于信息负载和防伪；利用MXene可以实现夜视环境下的精准识别和隐身，同时MXene的亲水性和易加工性使其易于集成并应用于复杂表面。
综上，MXene的宽域红外特性使其展现了多种红外应用潜力，如精细化的区域热管理，红外成像，红外防伪等。目前，相关研究尚在起步阶段，新的应用场景有待进一步开发。MXene丰富的结构和组分为其光学和红外辐射特性的协同提供了调控空间，对发展高精度的智能识别和信息传递具有重要意义。
图2、MXene的红外识别。（a）不同MXene的视觉颜色和红外识别对比；（b）黑暗环境下的红外识别应用（MXene织物二维码）；（c）MXene图案化织物（Ti3C2Tx和Nb2CTx）和碳黑织物在视觉和红外图像的对比。
作者简介：韩美康，复旦大学光电研究院青年研究员。主要研究方向为二维过渡金属碳氮化物（MXene）的合成及其电磁功能应用。近年来发表论文40余篇，其中以第一作者在Nat. Nanotechnol.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.、Mater. Today等期刊发表论文17篇，引用6700余次，H因子29，授权发明专利6项，美国发明专利2项。相关成果被IEEE Spectrum、Communications of the ACM、AAAS、Nano Today、Phys.Org等科技媒体和期刊报道。担任2D Materials客座编辑，入选上海市浦江人才计划，2020-2022年连续入选斯坦福全球TOP 2%科学家名单。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.02.024
