青岛科技大学《Carbon》：三维多孔Dy2O3修饰碳纳米管/石墨烯复合气凝胶，用于宽带微波吸收

成果简介

还原氧化石墨烯气凝胶（GA）已成为一种前景广阔的微波吸收（MA）材料。然而，由于损耗模型和阻抗失配的限制，纯石墨烯气凝胶要实现优异的微波吸收性能仍是一项挑战。本文，青岛科技大学Jian Cui、Yehai Yan等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Facile fabrication of lightweight and three-dimensional porous Dy2O3 decorated single-walled carbon nanotube/reduced graphene oxide composite aerogel for broadband microwave absorption”的论文，研究采用简单的还原自组装工艺，成功地获得了具有高性能电磁波吸收性能的0D@1D/2D结构的Dy2O3装饰单壁碳纳米管/还原氧化石墨烯（Dy2O3@SWCNT/rGO）复合气凝胶（DCGA）。

这种气凝胶由片状rGO堆叠而成，具有独特的三维多孔网络，体积密度较低。正如预期的那样，DCGA的微波衰减性能表现出一定程度的可调性，可通过改变GO 与 Dy2O3@SWCNT的质量比来实现。得益于协同效应，所制备的超轻DCGA-3（4.6mg/cm-3）在13GHz频率下的反射损耗（RL）为-57.6 dB (3mm)，填料负载率低至约1.4wt%。此外，DCGA-1的最大有效吸收带宽（EAB）（RL<-10dB）可达到7.8GHz（10.2-18GHz），厚度为2.8mm。值得注意的是，通过调整厚度，DCGA的EAB可以完全覆盖X波段和Ku波段。卓越的电磁波吸收能力源于优化的阻抗匹配、独特的多维多孔结构、叶状导电网络以及大量缺陷和界面的共同影响。因此，这项研究有助于开发具有三维多孔结构的石墨烯注入混合复合材料，使其成为轻质高效的电磁波吸收器。

图文导读

图1. Dy2O3@SWCNT/rGO复合气凝胶的合成过程示意图和DCGA-3放在狗尾巴草上的图像。

图2：GO、GA、DC和DCGA-3的(a)傅立叶变换红外光谱、(b)XRD图样和(c)拉曼光谱。

图3：（a）SWCNT、ox-SWCNT和DC的全XPS光谱；（b）ox-SWCNT 的 O 1s XPS 精确光谱；（c）GO、GA和DCGA-3的全XPS光谱；（d）DCGA-3 的 C1s、（e）O1s 和（f）Dy 4d XPS精确光谱。

图4. 样品的截面 SEM 图像：(a) DCGA-1、(b) DCGA-2、(c-c4) DCGA-3 和 (e) DCGA-4；(d) DCGA-3 的表面 SEM 图像、(f) EDS 图像和 (g-g2) TEM 图像。

图5. 反射损耗、二维等值线图和三维反射损耗图：（a1、a2、a3）DCGA-2、（b1、b2、b3）DCGA-3 和（c1、c2、c3）DCGA-4。

图6、 Frequency dependence of (a) ε′ and ε′′, (b) tanδε, (c) μ′ and μ′′, (d) tanδμ, (e) εc”, and (f) εp” of GA and DCGA.

图7. (a) Reflection loss, (b) 2D contour maps, and (c) SEM images of DCGA-3/PDMS; Digital photos of (d) DCGA-3 and (e) DCGA-3/PDMS for compression; Digital photos of (f) DCGA-3 and (g) DCGA-3/PDMS for stretching.

图8、Photograph of various droplets (a) standing on the surface and (b) contact angles of DCGA-3; (c) Infrared thermal images of DCGA-3 and (d) corresponding temperature-time curve of the test points.

小结

综上所述，通过简单的还原自组装技术制备了Dy2O3@SWCNT/rGO复合气凝胶。所获得的复合气凝胶具有超轻特性，并通过层状 rGO 的堆积形成了独特的三维多孔网状结构。多孔结构和各种材料之间的协同作用使复合气凝胶具有低密度、疏水性、隔热性和优异的微波吸收性能。通过改变GO和 Dy2O3@SWCNT 的质量比，可以有效调节 MA 的性能。值得注意的是，当填料负载量仅为1.4 wt% 时，制备的复合气凝胶显示出综合优异的电磁衰减性能，3mm时的最佳 RLmin 值为 -57.6dB。此外，在厚度为2.8毫米时，最宽 EAB 达到7.8GHz（10.2-18GHz）。与纯rGO气凝胶相比，Dy2O3@SWCNT/rGO气凝胶增强的MA 特性可归因于丰富的电磁波损耗途径以及复合材料不同成分之间的协同作用。

DCGA 的三维导电网络和多孔结构有利于改善电荷传输，增加电磁波的多重反射和散射，从而实现电磁波的多重吸收和衰减。同时，这种独特的 0D@1D/2D 构建的三维异质结构可提供丰富的异质界面和缺陷，可通过改变 GO 和 Dy2O3@SWCNT 的质量比进行控制，从而有效调节阻抗匹配。因此，这项研究为开发基于石墨烯的三维多孔复合材料提供了一种前景广阔的策略，这种复合材料可用作轻质、高效的微波吸收器。通过利用这些材料的独特性能，该研究凸显了它们在各种对有效MA至关重要的应用中的潜力，从而为先进功能材料的设计和工程开辟了新的途径。

文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119860