复旦等制备出新型碳纳米管/石墨烯气凝胶！减少电磁辐射

导读：本文通过一种简便的原位水热法和冷冻干燥方法，开发制备出一种新型的碳纳米管/还原型氧化石墨烯气凝胶吸波材料。该气凝胶具有极低的密度，并在18–26.5 GHz频率范围内实现了极强的介电损耗能力。强吸收、宽吸收频带，轻薄的性能使得CNT/石墨烯气凝胶在电磁波吸收材料中具有很好的应用前景。

近年来，由于电子行业及无线电通信技术的飞速发展，电磁辐射对人体健康和环境的影响比以往增加了很多。为了减少电磁污染，电磁波吸收材料受到越来越多的关注，这种材料可以通过它们的固有的磁性和介电损耗去衰减电磁能量将其转化为热能。如今，研究者们在材料调控策略方面一直在不断努力，这些策略主要是探索新材料，或者是构建多个功能组分，以实现介电损耗和磁损耗最大的协同效应。与新材料（如石墨烯，钙钛矿或MXenes）相比，采用多组分协同调控策略解决电磁波污染问题被认为是最有效的方法，它不仅扩展了吸收体的种类，而且更容易获得更强的电磁波吸收能力。

最近，许多类型的吸波材料已通过这一策略制备出，特别是对磁/介电复合材料，界面基材料等，均显示出理想的电磁波吸收能力，即使这样，诸如高密度，超高填充率的缺点仍然极大地限制了它们的商业应用。吸波材料通常以涂层形式使用，该涂层由吸波填料和基质（即石蜡，硅胶等）组成。通常为了获得期望的性能，吸波填料的含量通常大于50 wt％（一些甚至超过80 wt％）。此外，这些吸波剂中含有金属（如羰基铁，FeCo系合金等），因此这将导致吸波材料密度太大。面对这个困难，研究者们对多孔碳基轻质吸波材料的研究兴趣在不断增长，例如三维支架状的碳气凝胶近年来受到越来越多的关注。尽管在这方面已经取得了很多成果，但是由于金属氧化物或金属等的高密度，制备的多组分气凝胶的密度降低得不够，同时，吸收剂的填充率仍大于20 wt％。

针对上述问题，复旦大学Hualiang Lv等研究人员通过一种简便的原位水热法和冷冻干燥方法，开发制备出一种新型的碳纳米管/还原型氧化石墨烯气凝胶（CNTs/GA）吸波材料。所制备的CNTs/GA吸收剂具有多孔的三维（3D）网络结构，不仅大大增强了电磁波吸收能力，而且有助于形成超低密度和导电渗透阈值。结果表明，具有4 wt％吸波剂（CNTs/GA气凝胶）的吸波层显示出优异的电磁波吸收能力以及最大化的有效吸收带宽（厚度为1.7 mm时，有效带宽8.5 GHz）。这项成果为制备由轻组分构成的具有宽频带吸收，超轻薄的多孔3D气凝胶吸波材料提供了借鉴。相关工作以“Exceptionally porous three-dimensional architectural nanostructure derived from CNTs/grapheneaerogel towards the ultra-wideband EM absorption”为题发表在著名期刊《Composites PartB: Engineering》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2020.108122

在本文中，CNTs/GA气凝胶是通过简单的原位水热法和随后的冷冻干燥过程制备的，其中一定量的CNT均匀地分散在GO溶液中，如图1所示。由于存在极性基团（例如–OH，–COOH 等），因此添加的CNT会被GO吸附。在水热过程中，由GO和CNT构成的纳米片被组装成气凝胶。在自然干燥中，可以从溶剂中收集气凝胶。然后使用PDMS作为基质，通过浸渍法制成吸收层。

对于CNT/GA填充的吸波材料，在1.5 mm厚度下，最小反射损耗值（RLmin）接近-9.9 dB（标准RL值<-10 dB）。CNTs/GA-1 的RL min值为-40.8 dB，厚度为2.0 mm。随着CNT含量的增加，CNTs/GA-2和CNTs/GA-3 的最小RLmin值为-52 dB（d= 1.9 mm）和-21 dB（d = 2.0 mm）。在1.7 mm的厚度下CNTs/GA-1可以有效地覆盖的整个频率范围（18–26.5 GHz）。

FESEM图像表明所制备的CNT/GA-0气凝胶是具有三维网络结构并且高度多孔的。插入的CNT被均匀地分布到3D网络中，除了稳定3D结构外，更高含量的CNT可以避免石墨烯纳米片的团聚。

图1（a – b）CNTs/GA气凝胶和CNTs/GA吸波材料的合成路线图；（c）CNTs/GA气凝胶的数码照片。

图2 具有各种CNT含量的CNT/GA气凝胶的FESEM图像

图3 CNTs/GA吸收层的反射损耗曲线

图4 （a – b）介电常数的实部（ε'）和虚部（ε''）；（c–d）CNTs/GA-0和CNTs/GA-1的Cole-Cole曲线；（e）CNTs/GA气凝胶的微波吸收机理示意图。

总的来说，通过水热法和冷冻干燥法简易地制备出由CNT和还原氧化石墨烯构成的气凝胶，其中CNT紧密地粘附在石墨烯纳米片上并且形成了多孔3D结构。该气凝胶具有极低的密度，并在18–26.5 GHz频率范围内实现了极强的介电损耗能力。当将4 wt％的CNTs@GA气凝胶分散到PDMS基质中时，厚度为1.7 mm时最小反射损耗值在22.4 GHz时达到-31.0 dB，有效吸收带宽覆盖了整个频率范围（18–26.5 GHz）。强吸收、宽吸收频带，轻薄的性能使得CNT/石墨烯气凝胶在电磁波吸收材料中具有很好的应用前景。