西南交通大学《PCCP》综述：碳气凝胶在微波吸收中的最新进展与展望

成果简介

图1.碳气凝胶的构建和改性概述，以实现卓越的MA性能。

威胁人体健康、生态环境和电子设备的电磁污染已被认定为严重的环境问题。有鉴于此，现代社会迫切需要微波吸收材料（MAMs）。与传统的MAM相比，碳气凝胶因其高孔隙率和可控的导电网络而在微波吸收方面具有先天优势。此外，它们是具有可定制形状的自支撑3D架构，可满足大多数应用场景。因此，碳气凝胶近年来引起了极大的兴趣，并正在发展成为有前途的吸收材料。

本文，西南交通大学周祚万教授团队在《Phys. Chem. Chem. Phys》期刊发表名为“Construction and application of carbon aerogels in microwave absorption”的综述，研究重点介绍了基于碳气凝胶的MAMs的最新进展，这些材料包括石墨烯、碳纳米管和热解碳等典型碳纳米材料。介绍了它们的制备方法，特别是一些新开发的策略，以及它们对气凝胶结构和性能的影响。通过对经典微波吸收工艺的简要分析，我们提出了改性碳气凝胶以达到理想微波吸收性能的要求和策略。最后，对各种碳气凝胶的MA性能进行了综合比较，展示了该类MAM的应用潜力，并阐述了该类MAM的挑战和前景。

图文导读

2.1 碳气凝胶的构造和结构调控

碳气凝胶的独特性源于互连构建块的3D网络。大多数碳气凝胶由碳纳米管和石墨烯层构成。一些源自碳化有机泡沫的3D碳结构如果具有大量孔隙并具有较大的比表面积，则也被归类为碳气凝胶。它们的孔隙纹理、化学结构和物理性质可灵活控制，具体取决于施工策略和改性方法。在本节中，我们将讨论上述典型碳气凝胶的构建和调控策略。

石墨烯（GE）是一种典型的π电子离域二维碳材料，是构建碳气凝胶最重要的构建单元。柔性片材可以根据重叠层之间的π-π堆叠组装成多孔整体。制备石墨烯基气凝胶的构建方法一般包括原位生长法和自组装法。前者通常涉及金属泡沫上的化学气相沉积（CVD）作为催化剂和支持框架。对于后一种方法，首先将制备的氧化石墨烯（GO）交联成水凝胶。在随后的干燥过程中，溶剂从多孔结构中去除，因此气凝胶框架被单独保留。这些构建策略可以制造具有不同特性的气凝胶。

图2、通过CVD方法制备的石墨烯基气凝胶

图3.制备碳纳米管气凝胶的构建策略

图4. 制备碳纳米管/石墨烯杂化气凝胶的构建策略.

含碳前体的碳化活化可产生多孔碳，其框架由部分石墨碳构成。这与用石墨烯或碳纳米管构建的气凝胶完全不同。碳化过程将前体转化为无孔固体碳。

图5. 通过含碳前体的碳化活化获得的多孔碳骨架。

2.2. 碳气凝胶的微波吸收性能

2.2.1 碳气凝胶的MA机理及其结构优势

考虑到到达材料表面的入射电磁波，一部分波可以进入材料内部，而另一部分则在表面反射。进入吸收材料的波通过与界面、缺陷和磁性元件相互作用而消散。

图6. 微波吸收是典型的吸收材料

2.2.2 提高MA性能的结构修改

碳气凝胶的结构改性是实现理想MA性能的关键问题。由于原始石墨烯和碳纳米管具有超高的导电性，由它们构建的气凝胶表现出可怕的阻抗匹配和较差的微波损耗能力。但是由部分还原的GO和酸化CNT制成的气凝胶适合作为微波吸收材料。适度的电导率和多孔结构确保阻抗匹配;同时，在微波辐照下，残余含氧基团和不可避免的空位缺陷会引入偶极极化弛豫。所有这些特性都有利于MA性能。

图7. 通过调节碳气凝胶的化学结构来提高介电损耗能力

2.2.3 微波吸收中的应用

传统的MA材料主要是由纳米颗粒组成的粉末。这些粉末材料应分散到复合材料和涂料混合物等基质中，以实现实际应用。至于碳气凝胶，它们可以构造成各种宏观形状，包括微球，电线或光纤，巨石。可灵活定制的形状确保了它们在除涂层之外的更多应用场景中的实用功能。

图8. 各种碳气凝胶作为可用微波吸收材料的应用

小结与展望

碳气凝胶的高孔隙率和可控的结构赋予了碳气凝胶在微波吸收方面的先天优势，引起了材料科学、化学和物理学的广泛关注。本文简要而系统地介绍了碳气凝胶基MAMs，主要介绍了构建策略和潜在应用。我们强调了改善碳气凝胶MA性能的设计原则，并总结了最近报道的具有优异MA性能的碳气凝胶。

还仔细讨论了3D建筑的构造和结构/组件修改的关键策略及其对吸收性能的影响。相关工作激发了研究人员构建各种碳气凝胶以优化MA性能，并且它们取得了巨大的成果，但挑战仍然存在。从商业角度来看，一个长期关注的问题是碳气凝胶的大规模生产和应用仍面临一些挑战。文中所述，原材料、成本、生产率和设备是主要问题。好消息是，生产技术正在进入成熟阶段。特别是，3D打印被认为是一种有前途的策略，可以快速连续地生产具有一些复杂形状的无边界气凝胶。因此，主要问题仍然是原材料的供应，例如高质量的GO和CNT。幸运的是，这些碳纳米材料的大规模生产是很久以前开发的。因此，碳气凝胶基MAM的大规模生产和应用是可以期待的。

另一个问题是，基于碳气凝胶的MAM在实际场景中使用时总是需要集成功能。开发具有多种功能的碳气凝胶已经有很多有用的尝试，并且已经将一些有意义的活动，如隔热，水分捕获，传感和红外隐身附着在气凝胶上。对这些问题的进一步研究将有利于材料科学、化学、物理等学科的交叉发展。而碳-气凝胶基吸收材料的智能化、多场景、多功能应用研究，无疑将对电磁辐射防护、电磁干扰对策等民军用领域的发展产生重大影响。

文献：https://doi.org/10.1039/D2CP05715H