Nano-Micro Letters研究背景
日益复杂的电磁环境和迭代升级的电子设备对于电磁波吸收材料的性能提出了更高的要求。生物质衍生的碳基气凝胶凭借其轻质、电磁参数可调、阻抗匹配优等特性，在电磁波吸收领域获得了广泛关注。本工作采用了一种简单易行的设计方法，实现了磁/介电组分与生物质衍生碳气凝胶的原位复合和氮掺杂；得益于优化的阻抗匹配和多重衰减机制，镍/氧化锰/碳复合气凝胶表现出优异的电磁波吸收和热管理性能。
Nitrogen‑Doped Magnetic‑Dielectric‑Carbon Aerogel for High‑Efficiency Electromagnetic Wave Absorption
Shijie Wang, Xue Zhang, Shuyan Hao, Jing Qiao*, Zhou Wang, Lili Wu, Jiurong Liu*, Fenglong Wang*
Nano-Micro Letters (2024)16: 16
https://doi.org/10.1007/s40820-023-01244-w
本文亮点
1. 生物质衍生气凝胶复合材料实现了磁-介电-碳耦合协同电磁损耗机制。
2. 镍和氧化锰颗粒原位还原并生长在碳气凝胶上，形成多组分复合材料。
3. 气凝胶展示出了出色的微波损耗、隔热和光热转换能力。
内容简介
生物质壳聚糖衍生的碳基气凝胶由于轻质、来源丰富、电磁参数可调等优点在电磁波吸收领域正受到广泛的关注。山东大学刘久荣、王凤龙教授等以生物质壳聚糖为前驱体，借助冰模板法和一步碳化处理，原位构建了氮掺杂的镍/氧化锰/碳气凝胶。该气凝胶的最小反射损耗数值达到–64.09 dB，在2.95 mm处的有效吸收带宽为7.36 GHz。此外，气凝胶表现出优异的隔热和光热转化能力。这项工作为开发轻质、高性能和功能化的碳基微波吸收材料提供了新的思路。
图文导读
I 镍/氧化锰/碳气凝胶的合成制备路线、物相结构表征
利用金属离子与壳聚糖分子在酸性溶液中的络合作用，借助冰模板法和一步碳化法制备出碳基气凝胶材料。由于壳聚糖含有丰富的氨基基团，且添加金属离子的悬浮液具有均一稳定的性质，经过冷冻干燥和碳化过程后，碳基气凝胶实现了原位氮掺杂，镍和锰金属离子被还原成磁性镍和氧化锰，颗粒原位生长在碳气凝胶骨架上。X射线衍射、EDS元素分布证实了磁性组分镍和介电组分氧化锰的成功还原。借助冰模板法制备的复合气凝胶的孔径约为30 μm，高的孔隙率和比表面积有利于电磁波的散射衰减，磁性/介电组分的存在优化阻抗匹配的同时提供了与碳气凝胶的异质界面，这使得气凝胶具有优异的电磁波吸收性能。
图1. (a)Ni/MnO-CA的制备示意图；(b)加入Ni/Mn离子后的壳聚糖分散液的Zeta电位；(c)碳化前后气凝胶的密度数值；(d)XRD图谱；(e)XPS图谱；(f)Ni/MnO-CA的N 1s轨道；(g)傅立叶变换红外光谱。
图2. (a)Ni/MnO-CA的电子照片；BET表面积和孔径分布，(b)CA和(c)Ni/MnO-CA；(d)Ni/MnO-CA的SEM图像，插图是平行于冰晶生长的方向；(e)EDS图谱；(f)高分辨率TEM图像；(g)TGA曲线；(h)Raman图谱；(i)磁滞回线。
II 电磁波吸收性能
基于传输线理论，生物质壳聚糖衍生的碳基复合气凝胶均表现出了优异的电磁波吸收性能。其中，Ni-CA表现出了–42.32 dB的最小反射损耗数值，有效吸收带宽为5.99 GHz；MnO-CA则是达到了–40.50 dB且有效吸收带宽为7.68 GHz。在磁性镍和介电氧化锰组分的协同作用下，Ni/MnO-CA表现出了突出的电磁波吸收性能，最小反射损耗数值达–64.09 dB，同时有效吸收带宽保持在7.36 GHz。
图3. 三维反射损耗图，(a)Ni-CA，(b)MnO-CA，(c)Ni/MnO-CA；反射损耗数值与频率和厚度的二维投影图，(d)Ni-CA，(e)MnO-CA，(f) Ni/MnO-CA；(g)有效吸收带宽和对应的匹配厚度；(h)在不同频率波段下的最小反射损耗数值；(i)Ni/MnO-CA在不同厚度下的反射损耗数值。
III 电磁波吸收机理分析
分析碳基气凝胶的电磁参数发现，所有材料的介电常数呈现一定的下降趋势，这符合碳材料的频散效应。碳材料中电导损耗占据主导作用，然而纯碳气凝胶(CA)受限于较高的的电导率，具有过高的介电常数虚部，这会造成电磁波吸收材料的阻抗失配，因此CA具有不足的微波吸收性能。磁性镍和介电氧化锰组分的引入优化了碳气凝胶与自由空间的阻抗匹配，有利于自由空间的电磁波有效地进入到气凝胶材料内部，从而进行衰减，实现突出的电磁波吸收性能。
图4. (a)介电常数实部，(b)介电常数虚部，(c)磁导率；电磁参数，(d)Ni/MnO-CA-1.5和(e)Ni/MnO-CA-2.0；(f)损耗正切角；(g)Cole-Cole图；(h)衰减系数；(i)阻抗匹配。
图5. (a)Ni/MnO-CA的吸波机理图；(b)吸波性能的雷达图；(c)与先前工作的有效吸收带宽和最小反射损耗数值的比较图。
IV 热管理能力
为了应对复杂多变的应用环境，探索电磁波材料的多功能性具有一定的价值。红外热成像图像和两个红外探测的大气窗口区域的发射率数值证明本工作的吸波材料具备良好的红外隔热性能。此外，在180 mW cm⁻2的模拟太阳光下，碳基气凝胶在30 s内均达到了80 ℃，光热曲线也证实了材料优异的光热转换能力，综上所述，本工作的吸波材料在电子器件及人体防护等领域具有巨大的应用潜力。
图6. (a)热红外图像；(b)温度-时间变化曲线；(c)碳气凝胶的热导率；红外发射率，(d)3–5 μm，(e)8–14 μm；(f)光热的红外图像；(g)光热曲线，模拟太阳光为180 mW cm⁻2。
作者简介
高性能电磁屏蔽/吸收材料的研制及机理、高性能复合纳米纤维的研制及应用、多功能纤维素基纳米复合气凝胶的研制及应用等。
电磁仿真设计技术、电磁功能材料制备、性能调控及应用研究。
金属基功能纳米材料的可控制备及其在吸波和太阳能-化学能转换等领域的应用探索。
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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
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