东南大学！【国家杰青】刘磊教授团队：实现高效可调谐微波吸收的气凝胶

文献导读：

开发高效微波吸收 （MA） 吸收器的研究对于解决电磁 （EM） 污染和推进隐身技术至关重要。MXene是一类新型的高分子材料，近年来得到了广泛的研究。然而，MXene经常面临诸如高自堆叠和过度导电性等挑战，从而导致阻抗匹配不佳。

为了克服这些问题，东南大学刘磊教授团队开发了一种具有岛链结构 MXene 和多个异质界面的N-CNF@MXene@MoS₂ 气凝胶，实现了高效可调谐微波吸收。相关研究成果以“High-efficiency tunable microwave absorption in N-CNF@MXene@MoS2 aerogel with island-chain structured MXene and multiple heterogeneous interfaces”为题目，发表在期刊《Carbon 》上。

本文要点：

• 用独特的制造方法以岛链的形式产生了整体均匀和局部聚集的MXene，提高了MXene纳米片的导电性和极化损耗，同时减轻了MXene纳米片的自堆积问题。

• 通过原子层沉积（ALD）用 MoS₂修饰 N-CNF@MXene 气凝胶，实现了进一步的改进。这种修饰形成了N-CNF@MXene@MoS₂ 气凝胶（NCMMA）吸收剂的分层核鞘结构。

• NCMMA的最小反射损耗RLmin为−78.32 dB (3.49 mm)，填充系数仅为97%。有效吸收带宽（EAB）为7.58 GHz (2.5 mm)，覆盖Ku波段。

• 本工作采用的分层芯-壳原位异质界面的独特联合工艺设计，结合复杂的互穿导电网络结构，是下一代轻质隐形涂层 MA 材料的有力候选者。

N–CNF@MXene@MoS₂气凝胶（NCMMA）的制备过程：

1、制备 PAN@MXene 气凝胶（PMA）

首先，按照已有报道方法制备多层 MXene 溶液。然后，采用静电纺丝机（北京永康乐业ET - 2535H）制备纳米纤维，把得到的 PAN 和 PAN@MXene 纳米纤维膜分散并冷冻，随后冷冻干燥，得到 PAN 气凝胶和 PAN@MXene 气凝胶（PMA）。

2、制备 N–CNF@MXene 气凝胶（NCMA）
将 PMA 置于陶瓷舟中，在空气气氛下预氧化，之后在 Ar 气氛中退火。根据静电纺丝溶液中 MXene 的质量分数，将得到的气凝胶标记为 N–CNF@MXene 气凝胶。在进行 ALD 处理前，NCMA 需经过 180s 的等离子体处理。

3、制备 N–CNF@MXene@MoS₂气凝胶（NCMMA）

通过原子层沉积（ALD）在 NCMA 上修饰 MoS₂制备了 NCMMA。

图 1. NCMMA 制备过程示意图（TEM 图像中的比例尺为 100 nm）。

图 2.（a）NCA、（b）NCMA、（c）NCMMA 的微观形貌的SEM图像。（d）NCA、（e）NCMA、（f）NCMMA 中 C、N、O、Ti、S 和 Mo 元素的能谱（EDS）光谱及定量分析。（g）NCMA、（h）NCMMA 的微观形貌的TEM图像。（i）N - CNF@MXene@MoS₂ 纳米纤维的示意图。

图 3. NCMMA 系列的电磁参数和微波吸收性能。

图 4. NCMMA 吸收剂的作用机制。

总结：

该研究通过静电纺丝 - 冷冻干燥 - 退火 - 原子层沉积（ALD）工艺将二维 MXene 纳米片嵌入到 N - CNF 中。这种方法使得 MXene 在吸收剂内呈微观岛链状分布，同时整体分布均匀，缓解了 MXene 纳米片的堆叠问题，并形成了一个具有丰富异质界面的三维导电网络。

通过原子层沉积（ALD）对 N - CNF@MXene 气凝胶（NCMA）进行原位改性，得到了 N - CNF@MXene@MoS₂气凝胶（NCMMA）。这种方法在构建核 - 鞘纳米纤维和多级异质界面的同时保留了气凝胶的多孔结构，改善了阻抗匹配并显著提高了微波吸收性能。结果，NCMMA 吸收体在 9.49 GHz 时的最小反射损耗（RLmin）达到 - 78.32 dB（厚度为 3.49 mm）。在仅 2.5 mm 的匹配厚度下，最大有效吸收带宽（EABmax）为 7.58 GHz。本研究中提出的设计和制备高效微波吸收材料的新策略可为未来开发轻质隐身涂层提供参考。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119909