【NCM封面文章】太原理工大学王永祯/张妍兰团队：具有异质界面的三维多孔NiCo2(CO3)3/石墨烯气凝胶用于高效微波吸收

研究背景

随着5G时代的到来，与日俱增的科技产品导致电磁辐射大幅度增长，对人体健康、生态环境和军事安全造成不同程度的危害。研究发现，CoCO3等碳酸盐或碱式碳酸盐拥有较宽的有效吸收带宽，然而，其阻抗匹配和衰减能力较低，电磁波吸收性能较差。而具有宏观三维互连多孔结构的轻质石墨烯气凝胶材料具有高电导率，超低比密度，大比表面积和丰富的官能团，能有效解决碳酸盐材料作为电磁波吸收材料阻抗匹配低以及颗粒易团聚等难题，有效延长电磁波传输路径，为电磁波的衰减提供了丰富的界面与极化位点，是制备高效微波吸收材料的理想选择。

工作简介

采用简单的水热法在还原的氧化石墨烯表面原位生长NiCo2(CO3)3来制备轻质的三维多孔气凝胶材料。三维多孔气凝胶的独特成分与结构既改善了NiCo2(CO3)3颗粒的团聚问题，又提高了单一成分的阻抗匹配性能。通过调控气凝胶复合材料的成分与结构来调控气凝胶的界面、极化位点和电导率等参数，从而达到最大反射损耗 −58.5 dB与有效吸收带宽 6.5 GHz。

核心图文解析

采用简单的水热还原和冷冻干燥法制备了NiCo2(CO3)3/RGO三维网状气凝胶，如图1所示。在水热过程中，氧化石墨烯表面的极性官能团（如―OH, ―COOH等） 有利于NiCo2(CO3)3的生长，同时，氧化石墨烯逐步还原组装成三维多孔气凝胶结构，并将其作为电磁波吸收材料。

图1 NCR气凝胶的合成工艺

不同还原氧化石墨烯添加量三维多孔气凝胶的反射损耗曲线表明，调控还原氧化石墨烯的量能有效调控碳酸盐基复合材料的电磁波吸收能力，三维多孔气凝胶材料在频率为14.08 GHz，厚度为2.3 mm时，可达到最大反射损耗−58.5 dB，有效吸收带宽为6.5 GHz。

图2 NC、NCR-1和NCR-2在不同频率和厚度下的RL_min值

通过三维多孔气凝胶复合材料与未复合前材料的性能对比及文献中所报道材料的性能对比表明，NCR-1具有优异的电磁波吸收性能，这得益于其具有多种电磁波损耗损耗方式，较高的阻抗匹配性能及较强的衰减能力。

图3 (a) NC, NCR-1, NCR-2 和 RGO的RL_min与EAB对比图；(b) 所制备气凝胶与文献报道材料的性能对比

结论

本研究利用组装多组分气凝胶的策略解决了NiCo2(CO3)3颗粒物理团聚问题，并调节电磁参数以提高阻抗匹配和衰减能力。三维多孔结构和界面的协同作用赋予了NCR-1优异的电磁波吸收性能，这种超低密度的气凝胶在2～18 GHz频率范围内显示出较强的介电损耗能力。通过调整样品厚度，NCR-1有效吸收范围可以覆盖 4.5～18 GHz频段。在厚度为2.3 mm时，NCR-1获得最大反射损耗为-58.5 dB，对应频率为14.08 GHz，有效吸收带宽为6.5 GHz。NiCo2(CO3)3/RGO气凝胶具有宽频吸收，轻质，薄厚度和强吸收等特性，作为先进的电磁吸波材料具有巨大的应用潜力。

New Carbon Materials文章信息

WU Dan-dan, ZHANG Han-xiao, WANG Zheng-yan, ZHANG Yan-lan, WANG Yong-zhen. 3D porous NiCo2(CO3)3/reduced graphene oxide aerogel with heterogeneous interfaces for high-efficiency microwave absorption. New Carbon Mater., 2023, 38(6): 1035-1049. doi: 10.1016/S1872-5805(23)60780-2

武丹丹, 张含笑, 王政炎, 张妍兰, 王永祯. 用于高效微波吸收的3D多孔异质界面型NiCo2(CO3)3/RGO气凝胶. 新型炭材料（中英文）, 2023, 38(6): 1035-1049. doi: 10.1016/S1872-5805(23)60780-2

通讯作者简介

王永祯，教授，博士生导师，现任职于太原理工大学材料科学与工程学院。山西省“三晋英才”拔尖骨干人才。主要从事煤基固废资源的梯次高值化利用和新型功能陶瓷在能源、催化方面的研究。先后完成国家自然科学基金和省部级科研基金10余项，发表SCI收录论文50余篇。

张妍兰，讲师，现任职于太原理工大学材料科学与工程学院。主要从事先进电磁波吸收材料的制备与性能调控研究。