山东大学《ACS AMI》：新型多功能SiO2/石墨烯气凝胶，用于多功能电磁波吸收器

成果简介

高效利用二维（2D）石墨烯层来开发耐用的多功能电磁波（EMW）吸收气凝胶的要求很高，但仍然具有挑战性。本文，山东大学Chang Liu、Zhihui Zeng、吴娜 研究员等在《ACS Appl. Mater. Interfaces》期刊发表名为“Ultralight SiO2 Nanofiber-Reinforced Graphene Aerogels for Multifunctional Electromagnetic Wave Absorber”的论文，研究采用简便、可扩展的冷冻干燥和碳化方法，高效制备了可再生、低密度、高强度和大纵横比的陶瓷二氧化硅（SiO2）纳米纤维，以帮助制备超轻但坚固、高弹性和疏水的石墨烯气凝胶。

陶瓷纳米纤维能有效防止石墨烯团聚，增强界面相互作用，从而显著提高机械强度。除了相互连接的石墨烯网络带来的高传导损耗能力外，三维（3D）混合气凝胶还通过丰富的异质界面实现了高界面极化。因此，混合气凝胶具有出色的电磁波吸收性能，在1.8毫米处的最小反射损耗为-74.5dB，有效吸收带宽为5.7GHz，可与最好的电磁波吸收体相媲美。此外，将一维二氧化硅和二维石墨烯整合到三维混合气凝胶中，可实现显著的光热抗菌、光热吸油和隔热性能。因此，这项工作提供了一种高效利用石墨烯的超轻陶瓷/石墨烯气凝胶，可实现高性能的多功能应用。

图文导读

图1. (a) SiO2/rGO 气凝胶的制造过程示意图。(b) GO 片的原子力显微镜图像。(c) SiO2 纳米纤维的扫描电镜图像。(d) 放在狗尾巴草上的超低密度SiO2/rGO气凝胶。(e) 25 wt % SiO2/rGO 气凝胶的疏水性（插图显示水接触角为 133°）。(f) GO 气凝胶的扫描电镜图像。(g）SiO2 气凝胶的扫描电镜图像。(h) 25 wt % SiO2/rGO 气凝胶的扫描电镜图像。(i) 25 wt % SiO2/rGO 气凝胶的元素分布。(j) 杨氏模量。(k) 不同二氧化硅质量比的气凝胶的应力-应变曲线。(l) 25 wt % SiO2/rGO 气凝胶在不同循环压缩应变下的机械回弹性，以及 (m) 应变为 75% 时 100 个循环的循环压缩应力-应变曲线。

图2. (a) XRD patterns and (b) Raman spectra of GO, rGO, 25 wt % SiO2/rGO, 33 wt % SiO2/rGO, and 50 wt % SiO2/rGO aerogels. (c) FTIR spectra, (d) XPS survey scan spectra, and XPS C 1s spectra of (e) 25 wt % SiO2/GO and (f) 25 wt % SiO2/rGO aerogels.

图3. (a, d, g, j) 3D RL maps, (b, e, h, k) 2D contour RL maps, and (c, f, I, l) dependence of the experimental matching thickness (tEM) and the theoretical matching thickness (tTM) of rGO, 25 wt % SiO2/rGO, 33 wt % SiO2/rGO, and 50 wt % SiO2/rGO aerogels.

图4、(a-c) rGO、25 wt % SiO2/rGO、33 wt % SiO2/rGO、50 wt % SiO2/rGO 和 SiO2 气凝胶的电磁参数和 (d) 衰减系数。(e) rGO、(f) 25 wt % SiO2/rGO、(g) 33 wt % SiO2/rGO、(h) 50 wt % SiO2/rGO 气凝胶的阻抗匹配图。(i) rGO、(j) 25 wt % SiO2/rGO、(k) 33 wt % SiO2/rGO 和 (l) 50 wt % SiO2/rGO 气凝胶的三维 RCS 值。(m) 电磁波衰减机制示意图

图5. (a) 25 wt % SiO2/rGO气凝胶在不同功率密度下的光热曲线。(b) 25 wt % SiO2/rGO气凝胶在300 mW/cm2 功率密度下的循环稳定性。(c) 光功率密度为200mW/cm2 时 rGO 和 SiO2/rGO 气凝胶的光热曲线。(d) SiO2/rGO气凝胶对大肠杆菌（E. coli）的典型抗菌性能。气凝胶（e）在无光照和（f）有光照时的粘油吸收情况。(g) 通过金属加热平台在 150 °C 下加热 SiO2/rGO 气凝胶的红外热图像。(h) SiO2/rGO 气凝胶的热导率。(i) 无阻燃 SiO2/rGO 气凝胶和 (j) 有阻燃 SiO2/rGO 气凝胶的情况下，吸水球在酒精火中燃烧 90 秒。

小结

通过一种简便、可扩展的冷冻干燥法和碳化法，有效地利用可持续的高强度大宽比二氧化硅纳米纤维来辅助制备高孔隙率、超轻但坚固、高弹性和疏水性的石墨烯基气凝胶。一维二氧化硅的引入不仅促进了二维 rGO 的分散，还带来了良好的界面相互作用，从而使三维混合气凝胶具有出色的机械性能，包括显著的可压缩性和出色的抗疲劳性。此外，将一维二氧化硅和二维石墨烯整合到三维气凝胶中可高效地调整介电性能和改善阻抗匹配特性。三维结构具有较大的比表面积，有助于形成大量的反射界面和传输通道。因此，SiO2/rGO 气凝胶在 1.8 mm 时的 RLmin 值为 -74.5 dB，在 2.1 mm 时的 EAB 值为 5.7 GHz（超低填充量为 3 wt %），与最好的电磁波吸收材料不相上下。此外，混合气凝胶还具有很高的热稳定性和隔热性能，具有良好的耐火性和低导热性。此外，气凝胶还表现出快速、高效的光热反应，具有出色的抑菌和吸附粘性油的能力。因此，这项研究表明，新型多功能SiO2/rGO气凝胶可用于涉及电磁波隐身、机械弹性、光热转换、抗菌、集油和隔热的潜在应用领域。

文献：https://doi.org/10.1021/acsami.4c16592