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研究背景
多孔石墨烯基碳材料具有巨大的比表面積、導(dǎo)電性能好，超低密度等優(yōu)點(diǎn)，因此，其在微波吸收領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，三維石墨烯基導(dǎo)電復(fù)合氣凝膠或泡沫的構(gòu)筑多數(shù)是通過冷凍干燥制備，孔徑尺寸多數(shù)為50-100 μm，而有研究表明，與微米級孔相比，納米級孔結(jié)構(gòu)在衰減入射電磁波方面同樣發(fā)揮著重要作用。因此，如何在石墨烯基泡沫骨架表面進(jìn)行納米孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多級孔磁性泡沫的可控制備就變得尤為重要。
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成果簡介
江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院劉天西教授課題組報(bào)道了一種具有多層阻抗梯度結(jié)構(gòu)的多級孔磁性復(fù)合泡沫材料。首先，以水熱方式制備還原氧化石墨烯（rGO）泡沫基體，隨后鐵基MOF自組裝在石墨烯泡沫內(nèi)表面并進(jìn)行高溫退火使得片狀MOF有效轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋远嗫状判约{米片（Fe
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3），最終構(gòu)建從微孔到納米孔的多級孔磁性復(fù)合泡沫，進(jìn)而誘導(dǎo)產(chǎn)生更多的多重散射損失和缺陷極化損失。研究表明，石墨烯泡沫骨架和異性多孔磁性納米片（Fe
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3）之間層級阻抗梯度結(jié)構(gòu)的合理構(gòu)建有利于泡沫材料的表面阻抗匹配和衰減特性的優(yōu)化，從而使得入射電磁波能夠更充分地進(jìn)入材料內(nèi)部并進(jìn)行有效耗散。當(dāng)退火溫度為600 ℃，時(shí)間為6 h時(shí)，兼具低密度（12.15 mg/cm
3）的石墨烯/ Fe
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3磁性納米片（GMF）復(fù)合泡沫展現(xiàn)出最佳的微波吸收性能。當(dāng)材料厚度為4.84 mm時(shí)，其在8.02 GHz頻率下表現(xiàn)出最小反射損耗值-60.13 dB，性能遠(yuǎn)優(yōu)于商用微波吸收材料（-10 dB）。同時(shí)，最大有效吸收帶寬（< -10 dB）可以達(dá)到6.23 GHz（10.97-17.20 GHz）。此外，微波吸收性能可以通過改變退火溫度和時(shí)間來進(jìn)行有效調(diào)控。更重要的是，制備的復(fù)合泡沫具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性。經(jīng)過200 h中性鹽霧試驗(yàn)后，復(fù)合泡沫仍然具有優(yōu)異的微波吸收效果，當(dāng)材料厚度為2.31 mm時(shí)，其在18.00 GHz頻率下表現(xiàn)出最小反射損耗值-32.88 dB。同時(shí)，有效吸收帶寬（< -10 dB）可以達(dá)到7.1 GHz（10.8-17.9 GHz）。如此優(yōu)異的吸波性能使其有望應(yīng)用于嚴(yán)酷的潮濕環(huán)境。
文章亮點(diǎn)
（a） 采用靜電組裝和高溫裂解方式開發(fā)了一種微孔到納米孔的多級孔磁性泡沫。
（b）石墨烯骨架上MOF的原位裂解有助于各向異性納米孔結(jié)構(gòu)的形成。
（c） MOF裂解形成的多孔磁片與石墨烯骨架協(xié)同構(gòu)建出層級阻抗梯度。
（d）層級阻抗梯度的構(gòu)建可以有效優(yōu)化復(fù)合泡沫的阻抗匹配分布和衰減能力。
3、
圖文導(dǎo)讀
圖1. 具有多級孔結(jié)構(gòu)的石墨烯基磁性復(fù)合泡沫的制備流程圖。
本工作以乙二胺作為交聯(lián)劑，通過水熱方式制備還原氧化石墨烯泡沫基體，隨后鐵基MOF自組裝在石墨烯泡沫內(nèi)表面并進(jìn)行高溫退火使得片狀MOF有效轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨虍愋远嗫状判约{米片（Fe
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3），最終構(gòu)建從微孔到納米孔的多級孔磁性復(fù)合泡沫材料。
圖2. 泡沫的SEM圖像:（a, b）rGO泡沫;（c）rGMF; （d）GMF; TEM圖像:（e）rGMF;（f, g）GMF; 相關(guān)樣品的（h）磁滯回線，（i, j）XRD圖譜和（k, l）拉曼光譜圖。
如圖2所示，負(fù)載MOF后的還原氧化石墨烯泡沫骨架結(jié)構(gòu)表面形貌變得粗糙。各向異性的MOF納米片垂直交錯(cuò)生長在還原氧化石墨烯骨架表面。同時(shí)，交替的MOF納米片之間可形成~200 nm的微/納米孔隙結(jié)構(gòu)。其次，rGMF泡沫在600 °C氬氣氛圍下退火過程中，MOF不可避免地發(fā)生原位熱解，導(dǎo)致納米片的體積收縮。有趣的是，MOF衍生片之間（~200 nm）的微/納米尺寸的孔隙結(jié)構(gòu)可以成功地保留，如圖2d所示。此外，原位熱解引起的體積收縮使MOF在各向異性納米片內(nèi)形成球形顆粒，從而在這些顆粒之間產(chǎn)生大量的納米孔（~20 nm）。作為納米級孔隙，高的比表面積使其具有更多的界面缺陷，這將有利于提高電磁能量的衰減。最后，在最終的泡沫中成功地構(gòu)建了兼具微米級（~50 μm），微/納米（~200 nm）和納米（~20 nm）孔的多級孔結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
