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多功能磁性MXene/石墨烯气凝胶在电磁波吸收方面的应用

发布时间：2021-04-01 作者：axc 分享到：

我们在Ti3C2Tx MXene和石墨烯内引入磁性纳米粒子可**降低其与自由空间的界面阻抗不匹配性，结合有序多孔气凝胶结构增加的电磁波在吸波体内的损耗路径和空间，将大幅增强电磁波在吸波材料内的介电损耗和磁损耗。结合MXene、RGO、Ni纳米链多组分的协同损耗作用和三维有序气凝胶对电磁波的多重反射作用，获得目前MXene基吸波材料所报道的**反射损耗(RLmin=-75.2 dB)以及吸收波宽(EABmax=7.3 GHz)。

本文利用氧化石墨烯(GO)、Ti3C2Tx MXene和Ni 纳米链之间的静电相互作用和氢键作用实现自组装，通过简单定向冷冻方法和通过结合冷冻干燥方法获得三维有序Ni/MXene/GO气凝胶结构，最后结合温和的水合肼蒸汽还原改性，获得了同时具有介电特性和磁性能的多组分Ni/MXene/RGO (NiMR-H)气凝胶。物理化学结构表征显示，水合肼蒸汽改性可同时实现GO和MXene的部分还原和N原子掺杂，**平衡三维网络的传导性和介电性，使三维有序多孔气凝胶在保证MXene-RGO骨架介电特性的同时，避免电子传输通路的形成。形貌结构揭示了气凝胶周期有序多孔结构，与此同时，磁性Ni纳米链通过静电作用紧密镶嵌在MXene-石墨烯骨架表面，形成多重异质界面结构，有利于电磁波的多重反射散射和界面极化损耗。相比而言，通过低温氨气气氛退火还原改性的NiMR-A气凝胶尽管拥有相似的三维有序多孔结构，但程度较深的退火还原改性导致NiMR-A气凝胶内形成电子传导通路，不利于材料与空间阻抗的匹配性（图1）。

通过真空辅助灌注PDMS树脂，可无损保存NiMR-H气凝胶结构，得到用于电磁参数测试的复合材料，因NiMR-H气凝胶密度仅为6.45 mg cm-3，其在支撑基体PDMS内的含量仅为0.64 wt%，**解决了传统粉末型吸波剂分散不均、填充量高的问题。吸波性能结果显示，通过温和还原改性可**提高气凝胶骨架的介电特性和极化效应，结合Ni纳米链的磁损耗效应以及三维有序气凝胶对电磁波的多重反射作用，NiMR-H气凝胶可以获得**反射损耗(RLmin=-75.2 dB)以及**吸收波宽(EABmax=7.3 GHz)。相比而言，退火还原的NiMR-A气凝胶因电子传输通路的形成表现出较弱的吸波效应。此外，NiMR-H有序气凝胶的孔结构各向异性导致了其吸波性能在垂直和平行孔方向的各向异性，相比而言，当微波入射方向垂直于孔方向可获得**吸波性能（图2）。

基于电磁参数分析，结合Debye松弛理论和磁损耗理论，确定了NiMR-H气凝胶内同时存在的多重界面极化效应、传导损耗、自然共振、涡流损耗、交换共振效应等以及它们间的协同效应。并采用有限元分析、离轴电子全息技术证实了气凝胶孔道内交变电磁场引起的电磁耦合效应。结合介电-磁性多组分气凝胶**的阻抗匹配特性和电磁波在多孔结构内的多重反射散射效应，NiMR-H气凝胶表现出“强”而“宽”的吸波特性（图3）。

此外，源于水合肼蒸汽还原对气凝胶表面化学特性的改变、以及气凝胶的三维微纳孔结构，NiMR-H表现出疏水、隔热、阻燃等多功能性。同时，刚性Ni纳米链对MXene-石墨烯骨架的加强使气凝胶具有一定的强度和弹性。