大连理工《Carbon》：石墨烯/MD@碳纳米管气凝胶，用于多功能高效电磁波吸收器

成果简介

石墨烯气凝胶因其超低密度和优异的介电性能，在电磁波（EMW）吸收领域受到越来越多的关注。然而，纯石墨烯气凝胶的损耗机制有限，如何在保持轻质的同时引入多种损耗机制仍是一个挑战。本文，大连理工大学教授段玉平 教授、潘路军 教授等在《Carbon》期刊发表名为“Construction of rGO/MOF-derived CNTs aerogel with multiple losses for multi-functional efficient electromagnetic wave absorber”的论文，研究通过水热处理将 GO 和 MOF 颗粒均匀复合，并进一步通过化学气相沉积法在原位生长 CNT，成功构建了还原氧化石墨烯/金属有机框架（MOF）衍生碳纳米管（rGO/MD@CNTs）气凝胶。

GO和MOF颗粒相互作用形成强结合位点，从而构建出具有优异力学性能的气凝胶，同时还引入了磁性损耗。经MOF催化的CNT不仅有助于形成界面和偶极极化，还能有效调节电导率以改善阻抗匹配。气凝胶的填充率为6wt%，具有 -51.6 dB 的出色反射损耗和 5.9 GHz的宽有效吸收带宽。此外，气凝胶还具有良好的热稳定性和防冻特性。因此，这项研究为获得具有多重损耗的气凝胶以实现高效电磁波吸收提供了有效策略，证明 rGO/MD@CNTs气凝胶在复杂环境中的应用潜力。

图文导读

图1：（a）rGO/MD@CNTs 气凝胶的制备示意图。rGO/MD@CNTs 气凝胶（b）被磁铁吸附的照片，（c）在花朵上的照片，（d）表面有水滴的照片（插图显示了气凝胶的接触角），以及（e-h）压缩回弹的照片。

图2. (a) GF（红色圆圈代表孔隙结构）和 (b-c) GFC-2的扫描电镜图像。(a1-a3) GF 和 (b1-b3) GFC-2 的元素分布图。(d-e）GFC-2的TEM和（f-g）HRTEM图像（f1和f2为Fe的晶格间距；g1为C的晶格间距）。

图3：（a）GF 和 GFC-x 的 XRD 图样和（b）拉曼光谱（x=1、2 和 3）。(c) GF 和 GFC-2 的 XPS 光谱。(d1) GF 和 (d2) GFC-2 的 C 1s XPS 光谱。(e) GF、(f) GFC-1、(g) GFC-2 和 (h) GFC-3 的 N2 吸附-解吸和孔径分布曲线。

图4. (a1, b1) GF、(a2, b2) GFC-1、(a3, b3) GFC-2 和 (a4, b4) GFC-3 反射损耗的三维和二维彩色图。不同厚度的 (c1) GF、(c2) GFC-1、(c3) GFC-2 和 (c4) GFC-3 的二维阻抗匹配图。(d) GF 和 GFC-x 的衰减常数（x=1、2 和 3）。(e) GF 和 GFC-x 的 RLmin 和 EAB（x=1、2 和 3）。(f) GFC-2 与之前报道的碳基气凝胶吸波材料的电磁波吸收带宽和填充量比较。

图5：(a) 使用涂覆在 200×200×2 mm3 金属板上的 200×200×2.4 mm3 吸收体构建模拟模型。(b) PEC、(c) 涂有 GF 的 PEC、(d) 涂有 GFC-1 的 PEC、(e) 涂有 GFC-2 的 PEC、(f) 涂有 GFC-3 的 PEC 的三维 RCS 仿真图。(g) 所有样品在不同探测角度下的 RCS 图。(h) GF 和 GFC-x 的 RCS 减小值（x=1、2 和 3）。(i) GF 和 GFC x（x=1、2 和 3）的 RCS 峰值。

图6. rGO/MD@CNTs 气凝胶的电磁波消散机制示意图。

图7. (a) GFC-2 在加热台上 0、10、20 和 30 分钟时的红外图像。(b) GFC-2 在液氮冷板上 0、10、20 和 30 分钟时的红外图像和光学照片。

小结

综上所述，通过水热反应和原位 CVD 生长方法，成功合成了具有轻质、疏水性和优异抗压性能的 rGO/MD@CNTs 气凝胶。GO 与 MOF 粒子之间的相互作用不仅实现了 MOF 粒子的均匀分散，还赋予了气凝胶优异的力学性能。同时，通过调节气凝胶中 MOF 颗粒的含量，可以实现 CNT 的可控生长。一方面，CNT 的均匀生长增加了气凝胶的比表面积，并引入了偶极极化和界面极化。rGO/MD@CNTs 气凝胶成功地整合了多种损耗，从而实现了轻质高效的电磁波吸收。其中，GFC-2的填充率仅为6wt%，但却实现了 -51.6dB 的最强反射损耗，在 2mm 处的最大EAB为5.9GHz，整个探测角度的RCS值小于 -10 dBm2。此外，红外图像显示，rGO/MD@CNTs气凝胶具有良好的隔热和防冻性能，从而拓展了多功能应用的潜力。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119591