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  當前，依賴于電磁波的信息傳輸設備和5G通訊技術的快速發展使電磁干擾和電磁污染問題日漸突出，不僅嚴重影響了電子器件的正常工作和使用壽命，而且對人體健康產生不可估量的危害。傳統粉末型吸波劑（例如碳材料，金屬氧化物，鐵氧體及其納米混合物）往往著重于微納結構的設計或多組分的調控，仍然存在吸收損耗機理單一、在基體內團聚嚴重、填充量過高（>20 wt%）等問題，難以滿足當前應用環境對新型吸波材料“輕”“柔”“寬”“強”的要求。因而，新型高性能吸波材料的開發依然迫在眉睫。

  基于電磁損耗理論，鄭州大學申長雨院士和劉春太教授課題組同步結合多組分協同損耗和三維有序氣凝膠構筑策略，實現電磁波吸收的協同損耗效應，有效避免吸波劑在基體內的團聚現象，從而以極低的填充量實現優異的吸波性能。在Ti₃C₂T_x MXene和石墨烯內引入磁性納米粒子可有效降低其與自由空間的界面阻抗不匹配性，結合有序多孔氣凝膠結構增加的電磁波在吸波體內的損耗路徑和空間，將大幅增強電磁波在吸波材料內的介電損耗和磁損耗。結合MXene、RGO、Ni納米鏈多組分的協同損耗作用和三維有序氣凝膠對電磁波的多重反射作用，獲得目前MXene基吸波材料所報道的最低反射損耗(RL_min=-75.2 dB)以及吸收波寬(EAB_max=7.3 GHz)。

圖1. NiMR-H氣凝膠制備示意圖及結構形貌表征圖

  本工作利用氧化石墨烯(GO)、Ti₃C₂T_x MXene和Ni 納米鏈之間的靜電相互作用和氫鍵作用實現自組裝，通過簡單定向冷凍方法和通過結合冷凍干燥方法獲得三維有序Ni/MXene/GO氣凝膠結構，最后結合溫和的水合肼蒸汽還原改性，獲得了同時具有介電特性和磁性能的多組分Ni/MXene/RGO (NiMR-H)氣凝膠。物理化學結構表征顯示，水合肼蒸汽改性可同時實現GO和MXene的部分還原和N原子摻雜，有效平衡三維網絡的傳導性和介電性，使三維有序多孔氣凝膠在保證MXene-RGO骨架介電特性的同時，避免電子傳輸通路的形成。形貌結構揭示了氣凝膠周期有序多孔結構，與此同時，磁性Ni納米鏈通過靜電作用緊密鑲嵌在MXene-石墨烯骨架表面，形成多重異質界面結構，有利于電磁波的多重反射散射和界面極化損耗。相比而言，通過低溫氨氣氣氛退火還原改性的NiMR-A氣凝膠盡管擁有相似的三維有序多孔結構，但程度較深的退火還原改性導致NiMR-A氣凝膠內形成電子傳導通路，不利于材料與空間阻抗的匹配性（圖1）。

圖2. NiMR-H氣凝膠的電磁波吸收性能

  通過真空輔助灌注PDMS樹脂，可無損保存NiMR-H氣凝膠結構，得到用于電磁參數測試的復合材料，因NiMR-H氣凝膠密度僅為6.45 mg cm^-3，其在支撐基體PDMS內的含量僅為0.64 wt%，有效解決了傳統粉末型吸波劑分散不均、填充量高的問題。吸波性能結果顯示，通過溫和還原改性可有效提高氣凝膠骨架的介電特性和極化效應，結合Ni納米鏈的磁損耗效應以及三維有序氣凝膠對電磁波的多重反射作用，NiMR-H氣凝膠可以獲得最低反射損耗(RL_min=-75.2 dB)以及最大吸收波寬(EAB_max=7.3 GHz)。相比而言，退火還原的NiMR-A氣凝膠因電子傳輸通路的形成表現出較弱的吸波效應。此外，NiMR-H有序氣凝膠的孔結構各向異性導致了其吸波性能在垂直和平行孔方向的各向異性，相比而言，當微波入射方向垂直于孔方向可獲得最優吸波性能（圖2）。

圖3. NiMR-H吸波機理分析

  基于電磁參數分析，結合Debye松弛理論和磁損耗理論，確定了NiMR-H氣凝膠內同時存在的多重界面極化效應、傳導損耗、自然共振、渦流損耗、交換共振效應等以及它們間的協同效應。并采用有限元分析、離軸電子全息技術證實了氣凝膠孔道內交變電磁場引起的電磁耦合效應。結合介電-磁性多組分氣凝膠優異的阻抗匹配特性和電磁波在多孔結構內的多重反射散射效應，NiMR-H氣凝膠表現出“強”而“寬”的吸波特性（圖3）。

  此外，源于水合肼蒸汽還原對氣凝膠表面化學特性的改變、以及氣凝膠的三維微納孔結構，NiMR-H表現出疏水、隔熱、阻燃等多功能性。同時，剛性Ni納米鏈對MXene-石墨烯骨架的加強使氣凝膠具有一定的強度和彈性。這些多功能性保證了NiMR-H氣凝膠作為吸波材料在多重復雜環境下的正常工作，拓展其應用范圍與場景。

  本工作中在以下三方面具有一定創新性：

• (i) 三維有序氣凝膠結構可有效避免傳統的微/納米吸波填料在支撐基體中的團聚問題，有效降低吸波劑的填充含量 (0.64 wt％)；

• (ii) 通過多組分介電損耗-磁損耗協同、多重異質界面極化、有序多孔氣凝膠結構的集成，實現了目前MXene基吸波材料所報道的最強吸波性能；

• (iii) 同時結合疏水性、彈性、隔熱性和阻燃性能，保證了NiMR-H氣凝膠作為吸波材料在實際應用中應對各種復雜環境。

  相關成果以題為“Multifunctional Magnetic Ti₃C₂T_x MXene/Graphene Aerogel with Superior Electromagnetic Wave Absorption Performance”的論文，發表在了材料領域頂級期刊ACS Nano上。論文通訊作者為鄭州大學橡塑模具國家工程研究中心的馮躍戰副教授、劉春太教授和北京化工大學材料學院的張好斌教授。第一作者為橡塑模具國家工程研究中心博士生梁鹿陽。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中國博士后科學基金的支持。

  全文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c09982