西南交大孟凡彬团队 CEJ ：通过谐振腔共振损耗和次序衰减策略实现核壳异质石墨烯基气凝胶微球宽频高效微波吸收
近年来，石墨烯基气凝胶因其轻质、高效的吸波性能而备受关注。石墨烯气凝胶的三维网络结构可以作为骨架结构负载其他介电/磁损耗介质，以进一步提高微波吸收性能。然而，石墨烯基气凝胶相关的结构控制技术仍然相对缺乏，特别是对于气凝胶宏观形状和微观结构的设计，不利于进一步优化石墨烯基气凝胶的电磁波吸收性能。此外，石墨烯基气凝胶还存在吸收频带单一、带宽窄等问题。因此，设计基于石墨烯新型气凝胶结构，探究新的电磁波损耗机制以实现宽频高效微波吸收性能是研究的热点和挑战。通过气凝胶形状和结构的创新设计，引入更有效的电磁损耗和协同增强是实现宽带高效电磁波吸收的有效途径。
西南交通大学材料科学与工程学院孟凡彬“电磁功能材料”团队近年来致力于电纺制备具有轻质宽频高效吸波功能的石墨烯基气凝胶微球研究（Nano Research, 2018, 11, 2847; Nano Research, 2020, 13, 477; Chemical Engineering Journal, 2020, 391, 123512；Chemical Engineering Journal, 2022, 427, 131746；材料工程，2021, 49 (11): 14-29.）。通过调控电纺过程中纺丝针头结构和电纺参数，实现对微球内部结构和组分的可控制备，并根据对石墨烯基气凝胶微球的结构/组分/形态的电磁仿真优化，实现石墨烯基气凝胶微球对电磁波的高效宽频吸收，并揭示多壳层气凝胶微球对电磁波的多谐振协同响应和损耗机理。
在前期研究基础上，孟凡彬团队进一步提出利用同轴静电纺丝结合冷冻干燥和热还原技术制备了具有核壳异质结构的石墨烯基气凝胶微球（图1）。制备得到的气凝胶微球具有独特的微观多孔结构，外壳层表现出三维有序多孔网络结构，内核层呈现含有小孔结构的无序多孔碳形貌（图2）。不同壳层微观结构之间形成了清晰的异质界面，增加了材料的强界面极化效应。
图1 核壳石墨烯基气凝胶微球的制备流程图
图2 核壳石墨烯基气凝胶微球微观形貌表征
当核壳结构被引入气凝胶微球时，材料可以通过次序损耗、多级异质结构协同和多谐振耦合提高电磁波的衰减性能。此外，核壳双层石墨烯的三维导电网络被部分破坏，可使阻抗匹配性能进一步提高。当在填料比仅为5.0 wt%条件，厚度为2.5 mm时，核壳气凝胶微球的最小反射损耗达到−61.0 dB (频率为13.8 GHz)，有效吸收带宽达6.88 GHz。此外，通过调节气凝胶微球的核壳比，其相应的有效吸收带宽进一步拓宽至7.52 GHz（图3）。
图3 核壳石墨烯基气凝胶微球吸波剂的吸波性能
研究发现，对比实心石墨烯气凝胶微球和生物质碳微球，核壳结构的引入成功降低了气凝胶微球的介电常数虚部，有效地调节了导电性和阻抗匹配之间的平衡。核层和壳层对电磁波具有不同的反射和散射响应，使电磁波实现连续次序吸收和多级耦合（图4）。在核心层引入生物质衍生碳后，带来了新的异质界面和多反射通道，降低了微球的导电性，特别是增加了气凝胶微球中的谐振腔，从而提高了气凝胶微球的阻抗匹配性能。在此基础上，通过调节核壳石墨烯基气凝胶微球的核层厚度，有效地拓宽了气凝胶微球的吸收带宽。电磁模拟进一步表明，包括电磁波次序衰减和谐振腔损耗在内的核壳双层耦合可以实现宽频高效电磁波吸收性能（图5）。
图4 核壳石墨烯基气凝胶微球的机理示意图
图5 核壳石墨烯基气凝胶微球的电磁仿真分析
本工作以“Core-shell heterogeneous graphene-based aerogel microspheres for high-performance broadband microwave absorption via resonance loss and sequential attenuation” 为题发表于Chemical Engineering Journal。共同第一作者为西南交通大学材料科学与工程学院2020级硕士研究生支丹丹和2019级硕士研究生李天，通讯作者为西南交通大学材料科学与工程学院孟凡彬副教授。本研究工作得到了国家自然科学基金（No.51903213和No. 5217130190）、中央引导地方科技发展资金（No. 2021Szvup124）、中央高校基础研究经费（No. 2682021GF004）及国防项目等项目的资助与支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.134496
作者介绍：
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支丹丹，西南交通大学2020级硕士研究生，导师为孟凡彬副教授，主要从事多壳层石墨烯气凝胶微球吸波材料的研究，以第一/共同第一作者在Chem.Eng.J., Green. Chem., Compos. B. Eng.期刊发表论文3篇。曾获国家奖学金，西南交大一等奖学金，三好学生等荣誉。
李天，西南交通大学材料学院2019级硕士研究生，主要从事先进宽频吸波材料的研究，累计发表SCI一区论文10篇，以第一/共同第一作者在Nano Res.，Chem. Eng. J.，Green Chem.等期刊发表论文5篇。曾获国家奖学金，西南交大一等奖学金，优秀研究生标兵及优秀学生干部等荣誉。
孟凡彬，西南交通大学材料学院副教授，高分子系主任兼党支部书记，西南交通大学“雏鹰学者”。主要从事先进电磁防护材料设计、制备及应用和相关电磁学机理方面的研究；以第一/通讯作者在Adv. Sci.，Chem. Eng. J.，Green Chem.，Carbon等期刊发表SCI论文46篇（引用 2813次，H指数30）；主持国家自然科学基金、军委科技委、装备发展部等纵横向项目20余项。
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