Carbon Dots Intercalated MXene for Flexible Organic Hydrogel Absorbers with Synergistically Enhanced Dielectric Loss

Bokai Lu, Guangkai Jin, Yuhong Cui, Tianyi Zhang, Shujuan Liu, Qian Ye*, Xuqing Liu*, Feng Zhou

Nano-Micro Letters (2026)18: 302

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02135-6

本文亮点

1. 协同插层，双重优化：通过儿茶酚功能化碳点插层MXene纳米片，增强界面极化；同时利用甘油调控凝胶极性，协同优化阻抗匹配。

2. 柔性集成，性能卓越：基于双交联聚合物网络与导电MXene/CDs填料的协同集成，构筑柔性有机水凝胶吸收剂，在3.1 mm厚度下实现RLmin = -47.9 dB、有效吸收带宽3.5 GHz，并兼具良好的机械稳健性。

研究背景

可穿戴电子设备的日益普及以及软体机器人的发展，在提升日常生活便利性的同时，也带来了对信息安全和人体健康具有潜在威胁的电磁污染问题。因此，开发兼具薄型化、轻量化、宽频吸收、强吸收能力以及多功能集成潜力的柔性电磁波吸收材料，已成为当前研究的热点。有机水凝胶因其独特的多孔结构、优异的柔韧性及可调控的介电性能，在柔性吸波材料领域展现出广阔的应用前景。然而，单一凝胶网络所提供的电磁损耗路径较为有限，制约了其吸波性能的进一步提升。通过引入导电填料构建多相异质界面，可显著增强界面极化效应并促进电磁能量的有效耗散。其中，二维材料MXene具有高电导率、丰富的表面官能团及优异的亲水性，而零维碳点具备高比表面积和多样化的功能界面。将碳点与MXene进行复合，并引入有机水凝胶体系，有望在良好阻抗匹配的基础上，实现电磁波高效吸收性能与优异机械柔性的协同提升。

内容简介

针对MXene纳米片易堆叠导致的阻抗失配问题，西北工业大学叶谦、刘旭庆教授创新性地引入碳点从纳米尺度上精准调节MXene的介电性能，同时构建异质界面，并将该MXene/CDs引入有机水凝胶基底，成功开发出一种兼具优异吸波性能与机械柔性的电磁波吸收剂。结果表明，在3.1 mm厚度下，最小反射损耗(RLmin)达-47.9 dB，有效吸收带宽(EAB)为3.5 GHz；同时断裂强度达到0.196 MPa，断裂伸长率高达493.8%，展现出良好的拉伸适应性。这一研究为MXene基复合材料及柔性可穿戴电子设备所需的轻质、高效、抗形变吸波材料提供了全新设计思路，弥补了传统刚性吸波剂在柔性应用中的不足。

图文导读

I CDs和MXene/CDs有机水凝胶的制备及形貌

如图1a所示，分散于丙酮中的单宁酸经过定向超声处理转化为碳点，所得碳点溶液呈透明、淡黄色，具有明显的丁达尔效应。通过MXene纳米片表面的Ti原子与碳点表面的邻苯二酚形成二齿键配位，将CDs锚定在MXene上，得到MXene/CDs的复合物，将其填充至以水和甘油为共同溶剂，聚乙烯醇和丙烯酰胺为单体的有机水凝胶中，得到MXene/CDs凝胶，制备流程如图1b所示。

图1.  (a)CDs的合成示意图；(b)MXene/CDs gel的合成示意图。

如图2a-b所示，制备的CDs粒径约为2 nm，在HR-TEM下可以观测到对应于石墨碳(100)晶面的晶格条纹。少层MXene纳米片呈现典型的片层结构，厚度约为3 nm(图2c-d)。MXene/CDs的TEM中同时观测到CDs和MXene的晶格条纹，且CDs在MXene片上均匀分布。

图2. (a-b)CDs的TEM图像；(c-d)MXene的TEM、AFM图像；(e-h)MXene/CDs的TEM和元素映射。

II MXene和MXene/CDs纳米复合材料的成分表征

通过XPS、XRD、Zeta电位和拉曼光谱等对MXene/CDs复合材料进行成分分析。高分辨XPS谱图分析表明，相较于纯MXene，MXene/CDs中部分Ti官能团的结合能向更高方向偏移，表明形成了二齿配位键。XRD图谱显示CDs的负载使得MXene的特征(002)峰向小角度发生略微偏移，表明MXene的层间间距被拉大，改善了MXene易堆叠的问题。源于 CDs 表面丰富的负电性官能团，MXene/CDs 的 Zeta 电位较 MXene 更负。拉曼光谱中 MXene/CDs的D带与G带峰均增强，表明 CDs引入既增加了结构缺陷，也提高了石墨化程度。

图3. MXene和MXene/CDs的(a)XPS全谱；(b)C 1s；(c)Ti 2p；(d)XRD；(e)zeta电位；(f)Raman。

III 凝胶的表面形貌及表征

冻干后有机水凝胶的SEM图像显示，其均呈现多孔网络结构，导电填料的引入并未破坏该结构，表明填料与有机水凝胶具有良好的相容性(图4a-c)。图4d的红外光谱显示，凝胶内部存在多种分子间相互作用，这些作用可限制极性溶剂分子在外加电磁场下的旋转与极化，进而调节混合溶剂的整体极化程度及凝胶的介电常数。对凝胶进行了拉伸性能的测试，MXene和CDs的引入分别提高了凝胶的拉伸性能，其中MXene/CDs凝胶的断裂强度达到0.196 MPa，断裂伸长率高达493.8%，这源自于纳米填料与高分子聚合链之间氢键的形成，同时纳米填料提升了交联密度并发挥“钉扎效应”。图4e-f显示，MXene/CDs凝胶在拉伸过程中表面未出现明显裂纹，表明MXene/CDs凝胶具有良好的力学性能。

图4. 凝胶的SEM图像：(a)空白凝胶，(b)MXene凝胶和(c)MXene/CDs凝胶；(d)凝胶的红外光谱；(e)凝胶的拉伸测试；(f)MXene/CDs凝胶的拉伸图像。

IV 电磁波吸收性能以及机理分析

由图5a-c所示的复介电常数与介电损耗正切可知，CDs的负载强化了MXene的电荷存储与耗散能力，并通过丰富异质界面提升了介电损耗水平。Cole-Cole图中多个半圆的出现，揭示了体系内的德拜弛豫过程，而图中线性区域的存在则进一步验证了有效导电网络的构建(图5d-f)。

图5. 凝胶的介电性能：(a)ε'，(b)ε''，(c)tanδε，(d-e)Cole-Cole图。

和空白凝胶以及MXene凝胶相比，MXene/CDs凝胶表现出更强的微波吸收性能。空白凝胶在3.8 mm厚度下的RLmin为-27.55 dB。引入MXene后，凝胶在9.75 GHz处RLmin提升至-35.88 dB，匹配厚度降至3.1 mm。进一步负载CDs后，MXene/CDs凝胶在保持3.1 mm厚度的同时，于9.46 GHz处实现RLmin为-47.9 dB，EAB达3.5 GHz。此外，阻抗匹配分析表明，MXene/CDs凝胶在RLmin处的归一化输入阻抗比(|Zin/Z0|)接近1，展现出优异的阻抗匹配特性。

图6. 三维反射损耗图：(a)空白凝胶，(b)MXene凝胶和(c)MXene/CDs凝胶。反射损耗和阻抗匹配关系图：(d)空白凝胶，(e)MXene凝胶和(f)MXene/CDs凝胶。

图7展示了MXene/CDs凝胶的电磁波吸收机制。三维多孔网络结构优化了阻抗匹配，使电磁波有效进入材料内部。相互连接的导电网络延长了电磁波的传输路径，在增强导电损耗的同时引发多次反射和散射。CDs的引入扩大了MXene的层间间距，有效抑制其自重堆叠，进一步优化阻抗匹配，并构建了丰富的MXene/CDs异质界面以增强界面极化。此外，体系中极性分子、表面官能团及晶体缺陷等偶极子在交变电磁场下发生弛豫，贡献偶极极化。得益于此，阻抗匹配、导电损耗、界面极化与偶极极化的协同作用，赋予MXene/CDs凝胶优异的吸波性能。

图7. 微波吸收机理示意图。

V 总结

本研究提出了一种基于碳点(CDs)插层MXene的有机水凝胶构筑策略，实现了介电损耗与阻抗匹配的协同优化，并赋予材料优异的机械柔性。CDs的引入一方面丰富了体系中的异质界面，显著增强了界面极化效应与介电损耗能力；另一方面作为有效的层间调控剂，拓展了MXene的层间距并调节其电导率。同时，协同优化的凝胶溶剂体系进一步改善了材料的阻抗匹配特性。

得益于上述多重协同机制，所构筑的MXene/CDs水凝胶在9.46 GHz处实现了-47.9 dB的RLmin，且通过调控材料厚度，可将有效吸收带宽拓展至覆盖整个X波段。此外，有机水凝胶基体还赋予材料优异的机械稳定性与柔韧性。

该策略为MXene基复合吸波材料的设计提供了一种可行路径，并为兼具高效电磁波吸收性能与良好柔性的微波吸收材料开发提供了新的思路。

作者简介

叶谦

本文通讯作者

西北工业大学 教授

▍主要研究领域

润滑材料与防护涂层。

▍主要研究成果

兰州大学获本科、博士学位，其后在比利时鲁汶大学从事博士后工作，2015年加入西北工业大学材料学院。主要研究领域为润滑材料与防护涂层。近年来以通讯作者或合作作者发表学术论文180余篇，授权发明专利30余项(企业转化3件)，目前目前担任《润滑油》及《摩擦学学报》期刊编委，曾获陕西省自然科学一等奖(2025)、 中国复合材料学会自然科学一等奖(2025年)。 

▍Email：yeqian213@nwpu.edu.cn

刘旭庆

本文通讯作者

西北工业大学 教授

▍主要研究领域

织物基电磁屏蔽、红外隐身与电磁功能复合材料一体化设计、聚合物基润滑材料、密封材料正向设计与仿真验证等研究。

▍主要研究成果

航空航天润滑与密封材料陕西省科技创新团队带头人，英国高等教育学会会士、英国皇家化学会会士。长期从事织物基电磁屏蔽、红外隐身与电磁功能复合材料一体化设计、聚合物基润滑材料、密封材料正向设计与仿真验证等研究。主持国家自然科学基金、地平线欧洲计划、英国工程和自然科学研究委员会等项目，在Adv. Mater.等期刊发表论文200余篇，担任 Energy Environ. Mater.、Adv. Fiber Mater.、摩擦学学报等刊物副主编、编委。获2024年中国复合材料学会青年科技奖、2025年中国复合材料学会科技进步二等奖等。

▍Email：xqliu@nwpu.edu.cn

撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报(英文)》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624