刘久荣/王凤龙团队成功构建多功能轻质Co/MnO/MXene/rGO复合气凝胶，表现出优异的电磁波吸收、隔热和压力传感性能

背景介绍

近年来，随着便携式电子设备的广泛应用，无线信号传输在日常生活中更加普及。然而，这也不可避免地导致了日益严重的电磁干扰和污染问题，对环境和电子器件的正常运转构成了严重威胁。为了解决电磁波（EMW）辐射造成的有害影响，研究人员一直在致力于开发各种EMW吸收材料，包括碳材料、硫化物、导电聚合物和磁性材料等。尽管这些材料在电磁波吸收方面取得了一定的潜力，但它们仍存在吸收率较低、有效吸收带宽（EAB）受限以及材料厚度较大等问题，限制了其广泛的实际应用。同时，随着电子设备轻量化和集成化需求的不断增加，开发具备轻质、薄层、高效吸收和宽频带特性的电磁波吸收材料已成为新兴电子产品的一项关键要求。在此背景下，MXene/rGO复合气凝胶作为一种高效、多功能、轻质的EMW吸收材料，受到研究人员的广泛关注。然而，MXene/rGO气凝胶由于其单一的介质损耗机制和相互连接的致密电子传输网络，阻抗匹配特性较差，限制了其在EMW吸收性能方面的进一步提升。此外，对于具有三维网络结构的复合气凝胶，如何通过巧妙的微观结构设计和合理的多组分策略来实现多功能集成，仍然是一项亟待解决的挑战。

成果简介

近日，山东大学材料科学与工程学院刘久荣/王凤龙教授团队，通过冰模板辅助定向冷冻干燥法和低温热处理工艺，制备了一种具有定向孔道结构的Co/MnO/Ti3C2TxMXene/rGO (CMMG)多组分杂化气凝胶。研究结果表明，构建具有垂直通道的三维导电网络结构可以有效防止纳米颗粒的聚集，实现EMW的高效多次散射。此外，磁性和介电双组分（Co/MnO）纳米颗粒的引入，带来了优异的阻抗匹配、大量的非均质界面以及多种损耗机制的协同作用，因此显著提高了其EMW吸收性能。组分优化后的CMMG-2气凝胶展现出最优的EMW吸收性能，在厚度为2.75 mm时，RLmin达到−77.41 dB；在厚度为2.45 mm时，最大EAB为6.56 GHz，超过了以往报道的大多数复合气凝胶。同时，CMMG-2气凝胶具有超低密度(6.9 mg cm⁻³)、优异的疏水性、卓越的隔热性能和高效的光热转换能力，保证了其在极端环境下的多种应用潜力。此外，复合气凝胶具有良好的导电性，可以作为应变传感器准确捕获外部压力和人体运动信号。本研究为开发多组分体系建立了一种简单而高效的结构设计策略，为设计具有磁介质协同体系和多种损耗机制的多功能三维垂直通道导电网络气凝胶型EMW吸收材料提供了灵感。

图文导读

图1.(a) CMMG-X复合气凝胶的合成过程示意图。(b) CMMG-2气凝胶外部孔隙结构的SEM图像(插图为CMMG-2气凝胶的数码照片)。(c-d) CMMG-2复合气凝胶的SEM图像和EDS元素分布图。(e) CMMG-2的HRTEM图像。(f)CMMG-2气凝胶中Co/MnO纳米颗粒内部的晶格畸变。(g) MG和CMMG-X气凝胶的XRD图谱。CMMG-2气凝胶的高分辨(h) C1s和(i) Ti2p的XPS能谱图。(j) MG和CMMG-X气凝胶的拉曼光谱。

图2. (a) MG、(b) CMMG-1、(c) CMMG-2、(d) CMMG-3气凝胶的三维RL映射图。(e)各吸波剂的RL_min和EAB_max值的比较。(f) CMMG-2在1.7 ~ 3.1 mm处的EAB值。(g) MG和CMMG-X气凝胶的α值和阻抗匹配。(h)几种具有代表性的气凝胶基吸波剂的EMW吸收性能对比图。

图3. MG和CMMG-X气凝胶的(a)ε’,(b)ε”,(c) tanδε,(d)µ’,(e)µ”,(f) tanδµ值。

图4. (a) CMMG-2气凝胶的Cole-Cole图和(b) C0-f曲线。(c) MG和CMMG-2气凝胶的RL/Z-f曲线。(d) EMW吸收机理示意图。

图5. (a)水滴在CMMG-2气凝胶上的数码照片和CMMG-2气凝胶的WCA图像。(b)手持CMMG-2气凝胶的数码照片和红外图像。(c)加热板加热CMMG-2气凝胶的红外热成像图和(d)相应的温度-时间曲线。(e)模拟阳光照射(0.18 W cm⁻²)下CMMG-2气凝胶的红外热成像图和(f)温度变化。

图6.(a)基于CMMG气凝胶的压阻压力传感器的制备示意图。(b)闭合回路中不同应变下灯泡亮度的变化。(c)CMMG气凝胶对不同压缩应变的电流响应。(d)手腕弯曲产生的电流信号。(e)弯曲手臂产生的电流信号。

作者简介

王凤龙，山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要从事金属基纳米功能材料的制备、表征和电子结构调控，主持了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目、山东省自然科学优秀青年基金等科研项目（国家级项目4项）；截至目前，以第一/通讯作者身份在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Sci., Nano-micro Lett., ACS catal., ACS Nano等国内外高水平期刊发表论文60余篇，总发表论文超过110篇，发表论文被正面引用5000多次，H因子43；目前担任国际期刊Frontiers in Energy Research副主编、Applied Organometallic Chemistry编委、中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊ChemPhysMater编委及GER期刊青年编委等学术兼职。

个人主页：https://www.x-mol.com/groups/fenglongwang

刘久荣，山东大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。现任国家重大科研项目首席专家，中国材料学会、化学会会员，长期从事电磁仿真设计技术、电磁功能材料制备、性能调控及应用研究，担任科技部重点研发计划等项目会评专家，以及国家自然科学基金通讯评议人。先后承担国家重大科研计划、国家自然科学基金、山东省重大科技创新工程等项目30余项。研究成果在Adv. Mater.,J.Am. Chem. Soc.,Adv. Funct. Mater.,ACS Nano等SCI期刊上发表论文170余篇，他引7000余次，H因子为49，申报及授权发明专利50余项。担任SCI期刊Adv. Composites Hybrid Mater.编辑。

个人主页：https://www.cmpc.sdu.edu.cn/info/1017/1011.htm

文章信息

Guo C, Shao S, Zhang X, et al. Multifunctional MXene/rGO aerogels loaded with Co/MnO nanocomposites for enhanced electromagnetic wave absorption, thermal insulation and pressure sensing. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6840-x.