郑州大学申长雨院士和刘春太教授团队ACS Nano：多功能磁性MXene/石墨烯气凝胶用于高性能电磁波吸收
当前，依赖于电磁波的信息传输设备和5G通讯技术的快速发展使电磁干扰和电磁污染问题日渐突出，不仅严重影响了电子器件的正常工作和使用寿命，而且对人体健康产生不可估量的危害。传统粉末型吸波剂（例如碳材料，金属氧化物，铁氧体及其纳米混合物）往往着重于微纳结构的设计或多组分的调控，仍然存在吸收损耗机理单一、在基体内团聚严重、填充量过高（>20 wt%）等问题，难以满足当前应用环境对新型吸波材料“轻”“柔”“宽”“强”的要求。因而，新型高性能吸波材料的开发依然迫在眉睫。
基于电磁损耗理论，郑州大学申长雨院士和刘春太教授课题组同步结合多组分协同损耗和三维有序气凝胶构筑策略，实现电磁波吸收的协同损耗效应，有效避免吸波剂在基体内的团聚现象，从而以极低的填充量实现优异的吸波性能。在Ti3C2Tx MXene和石墨烯内引入磁性纳米粒子可有效降低其与自由空间的界面阻抗不匹配性，结合有序多孔气凝胶结构增加的电磁波在吸波体内的损耗路径和空间，将大幅增强电磁波在吸波材料内的介电损耗和磁损耗。结合MXene、RGO、Ni纳米链多组分的协同损耗作用和三维有序气凝胶对电磁波的多重反射作用，获得目前MXene基吸波材料所报道的最低反射损耗(RLmin=-75.2 dB)以及吸收波宽(EABmax=7.3 GHz)。
图1. NiMR-H气凝胶制备示意图及结构形貌表征图
本工作利用氧化石墨烯(GO)、Ti3C2Tx MXene和Ni 纳米链之间的静电相互作用和氢键作用实现自组装，通过简单定向冷冻方法和通过结合冷冻干燥方法获得三维有序Ni/MXene/GO气凝胶结构，最后结合温和的水合肼蒸汽还原改性，获得了同时具有介电特性和磁性能的多组分Ni/MXene/RGO (NiMR-H)气凝胶。物理化学结构表征显示，水合肼蒸汽改性可同时实现GO和MXene的部分还原和N原子掺杂，有效平衡三维网络的传导性和介电性，使三维有序多孔气凝胶在保证MXene-RGO骨架介电特性的同时，避免电子传输通路的形成。形貌结构揭示了气凝胶周期有序多孔结构，与此同时，磁性Ni纳米链通过静电作用紧密镶嵌在MXene-石墨烯骨架表面，形成多重异质界面结构，有利于电磁波的多重反射散射和界面极化损耗。相比而言，通过低温氨气气氛退火还原改性的NiMR-A气凝胶尽管拥有相似的三维有序多孔结构，但程度较深的退火还原改性导致NiMR-A气凝胶内形成电子传导通路，不利于材料与空间阻抗的匹配性（图1）。
图2. NiMR-H气凝胶的电磁波吸收性能
通过真空辅助灌注PDMS树脂，可无损保存NiMR-H气凝胶结构，得到用于电磁参数测试的复合材料，因NiMR-H气凝胶密度仅为6.45 mg cm-3，其在支撑基体PDMS内的含量仅为0.64 wt%，有效解决了传统粉末型吸波剂分散不均、填充量高的问题。吸波性能结果显示，通过温和还原改性可有效提高气凝胶骨架的介电特性和极化效应，结合Ni纳米链的磁损耗效应以及三维有序气凝胶对电磁波的多重反射作用，NiMR-H气凝胶可以获得最低反射损耗(RLmin=-75.2 dB)以及最大吸收波宽(EABmax=7.3 GHz)。相比而言，退火还原的NiMR-A气凝胶因电子传输通路的形成表现出较弱的吸波效应。此外，NiMR-H有序气凝胶的孔结构各向异性导致了其吸波性能在垂直和平行孔方向的各向异性，相比而言，当微波入射方向垂直于孔方向可获得最优吸波性能（图2）。
图3. NiMR-H吸波机理分析
基于电磁参数分析，结合Debye松弛理论和磁损耗理论，确定了NiMR-H气凝胶内同时存在的多重界面极化效应、传导损耗、自然共振、涡流损耗、交换共振效应等以及它们间的协同效应。并采用有限元分析、离轴电子全息技术证实了气凝胶孔道内交变电磁场引起的电磁耦合效应。结合介电-磁性多组分气凝胶优异的阻抗匹配特性和电磁波在多孔结构内的多重反射散射效应，NiMR-H气凝胶表现出“强”而“宽”的吸波特性（图3）。
此外，源于水合肼蒸汽还原对气凝胶表面化学特性的改变、以及气凝胶的三维微纳孔结构，NiMR-H表现出疏水、隔热、阻燃等多功能性。同时，刚性Ni纳米链对MXene-石墨烯骨架的加强使气凝胶具有一定的强度和弹性。这些多功能性保证了NiMR-H气凝胶作为吸波材料在多重复杂环境下的正常工作，拓展其应用范围与场景。
本工作中在以下三方面具有一定创新性：
(i) 三维有序气凝胶结构可有效避免传统的微/纳米吸波填料在支撑基体中的团聚问题，有效降低吸波剂的填充含量 (0.64 wt％)；
(ii) 通过多组分介电损耗-磁损耗协同、多重异质界面极化、有序多孔气凝胶结构的集成，实现了目前MXene基吸波材料所报道的最强吸波性能；
(iii) 同时结合疏水性、弹性、隔热性和阻燃性能，保证了NiMR-H气凝胶作为吸波材料在实际应用中应对各种复杂环境。
相关成果以题为“Multifunctional Magnetic Ti3C2Tx MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”的论文，发表在了材料领域顶级期刊ACS Nano上。论文通讯作者为郑州大学橡塑模具国家工程研究中心的冯跃战副教授、刘春太教授和北京化工大学材料学院的张好斌教授。第一作者为橡塑模具国家工程研究中心博士生梁鹿阳。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和中国博士后科学基金的支持。
全文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c09982
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