哈工大《CEJ》：独特结构的石墨烯@NPCNs气凝胶，具有隔热性、防水功能和雷达隐身性能

成果简介

三维还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶因其独特的结构优势而在电磁波吸收材料（EWAM）领域展现出巨大潜力，但如何平衡阻抗匹配与电磁衰减能力之间的关系仍是一个挑战。本文，哈尔滨工业大学杜耘辰 教授、韩飞 教授、中北大学 赵红红等研究人员在《Chemical Engineering Journal》期刊发表名为“Shell engineering afforded dielectric polarization prevails and impedance amelioration toward electromagnetic wave absorption enhancement in nested‐network carbon architecture”的论文，研究提出了一种新颖的外壳工程策略，通过涂覆由大量掺杂 N 的多孔碳纳米管（NPCN）组成的致密连续的异质层，制造出具有嵌套网络结构的三维 rGO 基气凝胶。

异质层的形成或多或少地增加了气凝胶结构的稳定性，并抑制了 rGO 纳米片的重新堆积。更重要的是，rGO 气凝胶孔壁上的 NPCNs 是无定形的，因此它们不仅能优化 rGO 气凝胶的阻抗匹配，还能利用与 rGO 气凝胶之间的介电差引起强大的界面极化。因此，最终的 rGO@NPCNs 气凝胶具有良好的电磁吸收性能，特别是在厚度仅为 1.3 毫米的情况下，有效吸收带宽（EAB）达到 5.1 GHz。通过梯度多层结构设计，EAB 值可进一步扩展到 12.1 GHz。数值模拟技术生动地证明，与单个rGO气凝胶相比，这种外壳工程策略有助于入射电磁波穿透 rGO@NPCNs气凝胶，并有利于生成适当的异质界面，以增强界面极化损耗。此外，rGO@NPCN气凝胶还具有良好的隔热性能、防水功能和雷达隐身性能，这充分说明了它作为未来高性能EWAM优异候选材料的广阔前景。

图文导读

图1.（a） 合成过程和形貌演变示意图，（b-e） rGO 气凝胶的 SEM 图像和 TEM 图像，（f-i） rGO@ZIF-8 气凝胶的 SEM 图像。

图2.（A-D）SEM 图像，（e） TEM 图像和 （f-h） HRTEM 图像和 （i-l） rGO@NPCNs气凝胶的元素映射图像，（m） rGO 气凝胶的 SEM 图像和 （n） TEM 图像，（o） NPCN 的 SEM 图像和 （p） TEM 图像。

图3.（a） XRD 图谱，（b） 拉曼光谱，（c） XPS 测量光谱，（d） 高分辨率C1s光谱，（e） 高分辨率N1s 光谱，（f） PL光谱，（g） N2吸附-解吸等温线，（h） 汞侵入-挤出等温线，（i） 孔径分布，（j） rGO 气凝胶、rGO@NPCNs气凝胶和 NPCN 的孔隙率直方图和密度直方图。

图4.rGO 气凝胶、rGO@NPCNs气凝胶和NPCN的 （a-c） 3D RL 图和 （d-f） 2D RL 投影图。（g） rGO气凝胶和 （h） rGO@NPCNs 气凝胶的 RL 和 EAB 比较图。（i） 先前报道的基于rGO 的 EWAM 的 EM 波吸收性能比较。

图5.频率相关 （a） εr’ 曲线，（b） εr“ 曲线，（c） 介电损耗角正切 （tanδe），（d） EIS 测量，（e） rGO 气凝胶、rGO@NPCNs 气凝胶和 NPCN 的电导率值。（f） rGO 气凝胶的 Cole-Cole 半圆和 （g） rGO@NPCNs 气凝胶。（h） α曲线，（i） rGO 气凝胶、rGO@NPCNs气凝胶和NPCN的内波阻抗。

图6.（a） 电场模拟模型，（b） rGO@NPCNs气凝胶的电场能量损失分布，（c） 当 NPCNs 壳层隐藏时rGO@NPCNs气凝胶的其余部分和 （d） rGO 气凝胶，（e） rGO 气凝胶横截面的电能损失行为，（f） NPCN 和 （g） rGO@NPCNs aeogel 和 （h） rGO@NPCNs 气凝胶的电磁波吸收机制示意图。

图7.（a） 雷达对飞机进行目标探测的示意图，（b） PEC 和涂有rGO@NPCNs气凝胶的 PEC 板极坐标系中的 RCS，（c） 涂有 rGO 气凝胶的 PEC 的 RCS 还原值，rGO@NPCNs气凝胶和 NPCNs，（d） rGO@NPCNs气凝胶的隔热图像，（e） rGO@NPCNs气凝胶的梯度多层结构示意图和 （f） rGO@NPCNs气凝胶的 RL 曲线（单层和梯度多层结构）。

小结

综上所述，作者利用外壳工程策略，通过水热自组装、ZIF-8 原位生长和高温热解过程，成功制备出具有独特嵌套网络结构的 rGO@NPCNs 气凝胶。NPCNs 壳层的引入不仅协同优化了电磁衰减能力与阻抗匹配之间的关系，而且在高温热解过程中保留了 rGO 气凝胶的大孔结构。获得的 rGO@NPCNs 气凝胶具有优异的电磁波吸收性能，在匹配厚度仅为 1.3 毫米的情况下，其 EAB 可达到 5.1 GHz（12.9-18.0 GHz）。通过梯度多层结构设计，这一数值将进一步扩展到 12.1 GHz。数值模拟显示了 NPCN 对于阻抗匹配和界面极化的重要性。此外，红外热成像和 WCA 测量也验证了 rGO@NPCNs 气凝胶良好的隔热性和防水功能，同时模拟 RCS 结果也证明了其优异的雷达隐身性能。上述结果表明，rGO@NPCNs 气凝胶具有广阔的实际应用前景，这项工作也为设计高性能、多功能 EWAM 提供了新的思路和灵感。

文献：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157556