科学网—复旦吕华良与贵大祁小四等：用于微波吸收、防腐蚀和隔热的多功能材料—-rGO/碳泡沫混合维度异质结构
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2024-7-8 11:05
| 系统分类: 论文交流
研究背景
考虑到严重的电磁波污染问题和复杂的应用条件，迫切需要将多种功能融合到一种物质中。然而，将多种功能有效集成到设计的电磁波吸收材料中仍面临巨大挑战。贵州大学祁小四、复旦大学吕华良等研究人员采用冷冻干燥、浸没吸收、二次冷冻干燥和碳化处理等高效方法，精心设计和合成了具有二维/三维(2D/3D)的氧化还原石墨烯/碳泡沫(RGO/CFs)范德华异质结构。由于其增强的介电损耗和优化的阻抗匹配两者的出色联动效应，所设计的2D/3D RGO/CFs范德华异质结构表现出了值得称道的电磁波吸收性能，在低匹配厚度下实现了6.2 GHz的吸收带宽和−50.58 dB的反射损耗。此外，2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构还表现出显著的雷达隐身性能、良好的耐腐蚀性能以及出色的隔热性能，在复杂多变环境中显示出巨大的应用潜力。因此，这项工作不仅展示了一种制造 2D/3D 范德华异质结构的简单方法，而且还概述了一种强大的混合维度组装策略，用于设计航空航天或其他复杂条件下的多功能电磁波吸收材料。
Mixed-dimensional Assembly Strategy to Construct Reduced Graphene Oxide/Carbon Foams Heterostructures for Microwave Absorption, Anti-corrosion and Thermal Insulation
Beibei Zhan, Yunpeng Qu, Xiaosi Qi *, Junfei Ding, Jiao-jing Shao, Xiu Gong, Jing-Liang Yang, Yanli Chen, Qiong Peng, Wei Zhong, Hualiang Lv*
Nano-Micro Letters (2024)16: 221
https://doi.org/10.1007/s40820-024-01447-9
本文亮点
1. 通过简单的混合维度组装策略有效地制造出2D/3D 氧化还原石墨烯/碳泡沫(RGO/CFs) 范德华异质结构 。
2. 由于增强的介电损耗和优化的阻抗匹配的出色联动效应赋予了2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构出色的 电磁吸收性能 。
3. 2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构表现出显著的 雷达隐身性能 ，良好的腐蚀防护性能和杰出的 热绝缘能力 ，这在复杂多变环境中显示出巨大的应用潜力。
内容简介
贵州大学祁小四、复旦大学吕华良等 研究人员通过在3D壳聚糖泡沫的基础上，浸没吸附不同浓度的2D氧化还原石墨烯, 经碳化处理之后以期获得具有混合维度的氧化还原石墨烯/碳泡沫(RGO/CFs) 范德华异质结构。论文系统研究了样品在不同填充比(15 wt%， 20 wt %， 25 wt %)下，不同的氧化还原石墨烯含量及碳化温度对微波吸收性能的影响。随着吸附的氧化石墨烯浓度的增加，650 ℃ 碳化之后获得样品的介电数值不断升高，在15 wt %， 20 wt %， 25 wt %下，浓度为2 mg/mL的氧化石墨烯对应的产物(R2/CF)均表现出最佳的吸收带宽。以R2/CF为基础，改变碳化温度为600 ℃ 和700 ℃，结果表明在同一填充比下，随着碳化温度的升高， 电磁参数也呈现出上升的趋势。在700 ℃处理后，15 wt%时1.85 mm的厚度下表现出5.0 GHz的较宽吸收带宽。结合“宽”“强”“轻”“薄”的总体要求，综合考虑分析可得，在650 ℃ 下获得R2/CF在25 wt%下同时表现出最佳吸收带宽 6.2 GHz (2.27 mm) 和强反射损耗-50.58 dB (2.50 mm )。同时，该样品经过RSC模拟分析、电化学腐蚀分析、热红外成像以及隔热测试，结果表明该样品具有显著的雷达隐身性能，良好的腐蚀防护性能和杰出的热绝缘能力。
图文导读
图1表明，样品具有非常低的密度，大约45 mg/cm3，仅一片叶子就可以支撑样品。通过XRD分析，CFs和RGO/CFs显示出石墨碳的宽峰，分别位于24°和44°，同时GO的衍射峰消失，表明GO成功还原。CFs和RGO/CFs的XPS全谱显示出O 1s、N 1s和C 1s的特征峰，为氮掺杂提供了证据。其中，N 1s XPS谱进一步确认了氮的键合配置，表明存在氧化氮、石墨氮、吡咯氮和吡啶氮。而吡咯氮和吡啶氮作为极化中心，石墨氮作为导电损耗增强剂，有助于提高电磁波的耗散。
图1. (a) 2D/3D GO/CGFs和RGO/CFs范德华异质结构的实验示意图，(b)立在叶片上的 R2/CF 的数字图像，CFs 和 RGO/CFs (c)傅里叶变换红外光谱，(d) X射线衍射图案，(e)X射线光电子能谱，(f，g)R2/CF的 C1s和N1s X射线光电子能谱。
图2中，SEM分析表明随着氧化还原石墨烯的增加，三维碳泡沫结构逐渐被填满，结构变的更加粗糙，同时能量色散元素映射图像也表明N元素的有效掺杂。
图2. (a1-d3) CFs, R2/CF, R4/CF和R6/CF扫描电子显微镜图像，(e1-e4)R2/CF 能量色散元素映射图像。
通过图3和图4分析，随着吸附的氧化石墨烯浓度的增加，650 ℃ 碳化之后获得样品的介电数值不断升高，在15 wt %， 20 wt %， 25 wt %下，浓度为2 mg/mL的氧化石墨烯对应的产物(R2/CF)均表现出最佳的吸收带宽。
图3. CFs, R2/CF, R4/CF和R6/CF的(a-e)介电参数以及对比图，(f)介质损耗正切值。
图4. R2/CF, R4/CF和R6/CF在25 wt%下的(a-d)3D RL，(e-g)EAB，(h)各样品在不同填充比下的RL min 和EAB的对比。
在上述的分析基础上，以R2/CF为研究对象，改变碳化温度为600 ℃ 和700 ℃。在成分分析和SEM(图5)的表征下，温度对样品的成分和形貌几乎没有影响。图6电磁参数和吸波性能分析表明，同一填充比下，随着碳化温度的升高，电磁参数也呈现出上升的趋势，而在700 ℃处理后，15 wt%时1.85 mm的厚度下表现出5.0 GHz的较宽吸收带宽。
图5. R2/CF-600, R2/CF和 R2/CF-700(a)XRD, (b)XPS，(c)Raman spectra， SEM图像(d-f)R2/CF-600和(g-i)R2/CF-700。
图6. R2/CF-600和R2/CF-700的(a-c)介电参数，(d-f)R2/CF-700在不同填充比之下的二维RL彩色图。
根据先前的实验结果和分析，可以得出结论：设计的蜂窝状多孔泡沫赋予电磁波吸收器轻质的特性和卓越的电磁波吸收性能。为了更直观地理解，图7概括了2D3D RGO/CFs范德华异质结构中可能的电磁波衰减机制。关键在于，这些典型的混合维度蜂窝状多孔结构材料相比单一维度的结构大大改善了阻抗失配特性。得益于这种优化的阻抗匹配，大部分入射的电磁波能够有效穿透设计的RGO/CFs吸收器，经过多次反射和散射，从而实现能量衰减。同时，2D RGO纳米片和3D CFs相互交联，构建了一个出色的导电网络。利用石墨纳米晶体间的电子迁移和跳跃，导电损耗有效地促进了电磁波能量向热能的转化，进而实现了衰减。除了导电损耗，极化损耗是加速电磁波衰减的另一个重要因素。在这里，泡沫状的2D/3D 范德华异质结构和复合成分提供了大量的异质界面，例如固-气界面和不同成分的界面，在这些异质界面上，由于不同性质的电荷积累，会发生界面极化损耗。此外，源于缺陷、杂原子掺杂以及RGO/CFs 范德华异质结构内部残留极性基团的偶极极化损耗也促进了穿透的电磁波的衰减。总体而言，2D RGO和3D CFs的协同作用显著优化了它们的阻抗匹配特性，并增强了介电损耗能力，这对其优异的电磁波吸收性能做出了贡献。
图7. 2D/3D RGO/CFs的微波吸收吸收机理。
图8展示的所获得2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构在酸性、中性和碱性环境下的电化学腐蚀测试，热红外成像以及隔热性能测试，结果表明样品表现出显著的隐身性能、良好的耐腐蚀性能以及出色的隔热性能，在复杂多变环境中显示出巨大的应用潜力。
图8. R2/CF多功能测试。
总结
通过简化的冷冻干燥、浸渍吸附、二次冷冻干燥和随后的碳化过程精心设计合成了多功能2D/3D RGO/ CFs范德华异质结构。获得的实验结果表明，RGO的引入显著优化了2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构的阻抗匹配特性，提高了它们的极化和导电损耗能力。通过调节RGO含量和碳化温度，可以有效调节2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构的电磁参数。因此，优化的阻抗匹配和增强的介电损耗能力的协同效应赋予了设计的2D/3D RGO/CFs 范德华异质结构优异的电磁波吸收性能。结果，R2/CF显示出低的RL min (-50.58 dB)和宽的EAB值(6.2 GHz)。更重要的是，合理的成分设计和混合维度的范德华异质结构有助于2D/3D RGO/CFs提高雷达隐身特性、良好的耐腐蚀性能以及出色的隔热能力，在复杂多变条件下显示了的巨大应用潜力。
作者简介
祁小四
本文通讯作者
贵州大学 教授
▍ 主要研究 领域
隐身材料、电磁功能材料、光电探测器、光电催化、表面等离激元、表面增强拉曼光谱等领域的实验和模拟计算研究.
▍ 个人简介
物理学博士，物理化学博士后，现为贵州大学物理学院博士生导师，三级教授，贵州大学一流学科特设岗位人才。已在Advanced Functional Materials, Advanced Science, Small, Advanced Composites and Hybrid Materials, Carbon, Nano Research, Journal of Materials Science & Technology等国际知名期刊发表学术论文100余篇，其中SCI高被引论文10余篇。目前主持完成国家自然科学基金项目3项，省部级科研项目10余项。担任磁性材料及器件, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials, Advanced Composites and Hybrid Materials等杂志青年编委，贵州省物理学会副秘书长，第六届中国青年科技工作者协会基础科学专业委员会委员。曾先后荣获教育部博士研究生学术新人奖(2010)、贵州省第五届自然科学优秀学术论文一等奖(2013)、江苏省自然科学二等奖(2015)、贵州省千层次创新型人才(2016)、贵州省优秀青年科技人才(2017)、国家人才计划西部之光学者(2017)、贵州省优秀科技工作者(2018)、贵州省青年科技奖(2019)、贵州省教学成果奖二等奖(2019)、贵州省自然科学二等奖(2019)、教育部霍英东青年教师项目获得者(2021)、贵州省省委联系专家(2023)、贵州省百层次创新型人才(2023)、贵州省自然科学一等奖(2023)等奖励和荣誉称号。
▍ Email： xsqi@gzu.edu.cn
撰稿：原文作者
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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，2023 IF=31.6，学科排名Q1区前3%，期刊分区1区期刊。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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主题：范德华异质结构