静电纺丝制备MXene@GO复合气凝胶及其可控微波吸收性能

石墨烯及其衍生物由于具有介电损耗高、重量轻和可修饰等特点，使其在电磁防护领域应用广泛。然而，纯石墨烯的高导电性，则通常导致损耗机制有限及阻抗失配严重等问题，其仅能在电磁屏蔽方面展现优越性能。与纯石墨烯相比，虽然氧化石墨烯（GO）的损耗机制较多，但其低导电损耗阻碍了其电磁波的衰减能力。这样，由于兼具阻抗匹配佳、损耗机制丰富和介电损耗能力强等优点，还原氧化石墨烯（rGO）在微波吸收领域的研究更为普遍，但仍受到成本高、工艺复杂等的限制。在此基础上，将二维石墨烯层组装成气凝胶或泡沫等三维结构，通过延长微波反射/散射路径、生成多极化界面和调整阻抗匹配等措施，可有效提高其微波吸收能力。微波入射到三维结构时，孔壁可大大降低与自由空间的阻抗失配，减弱相邻壁与支柱间的反射和散射，有助于提高微波吸收性能。GO的化学活性可方便用于制造三维（3D）结构。为了获得更好的微波吸收性能，GO中通常需要掺杂导电或磁性材料，并进行一定还原以在界面处实现高效的载流子传输。

Ti₃C₂T_x等MXene材料是一类柔性的二维材料，由于具有重量轻、导电性高和表面活性好等显著的性能而备受关注，特别是其表面丰富的官能团，使其可以用其他材料进行改性，而不必牺牲其固有性能和结构破坏。此外，Ti₃C₂T_x具有适中的介电常数和表面活性，被认为是GO基复合材料中潜在的电磁屏蔽或吸收功能介质。GO和Ti₃C₂T_x组成的3D复合材料，由于新生成的非均匀界面和分层多孔结构，可形成的中等介电损耗能力和优化的阻抗匹配，实现二维材料固有损耗特性和三维传导结构的协同作用，以增强电磁波的吸收损耗性能。然而，如何以简便的工艺实现高性能的GO/MXene复合吸波材料仍然是一个挑战。

近日，西南交通大学的研究人员采用快速冷冻辅助静电纺丝技术，制备了Ti₃C₂T_x@GO复合气凝胶，制备方法如图1所示。静电纺丝过程中，GO与MXene片之间的氢键与快速冷冻过程中不断增长的冰峰相互作用，集中在晶界形成三维网，冷冻干燥后的形貌如图2所示。对于纯GO气凝胶（图2a），孔隙随机连通，孔壁褶皱；当向GO中加入Ti₃C₂T_x时，孔隙变得规则，孔壁变得更直（图2b）；而当只有Ti₃C₂T_x构成气凝胶时，孔壁粗糙且皱缩轻微（图2c）。这种差异是由于GO层和MXene层的刚度不同而引起的，较硬的MXene层在成形中起到了抑制GO层卷曲的作用。此外，GO层和MXene层的尺寸大小差别很大，较大的GO层和复合材料层可以充当孔壁，而对于吸波材料来说其须由许多MXene层构成，这也使得孔壁在冷冻过程中变得粗糙和皱缩。这种构造良好的三维复合结构，有助于提高Ti₃C₂T_x@GO气凝胶的强度，并防止在加工过程中变形。复合气凝胶的三维结构，在TEM表征中也得到了验证，如图3所示。

电磁衰减的测试结果表明，该Ti₃C₂T_x@GO气凝胶在2-18GHz波段展现了优异的微波吸收性能（图4）。当气凝胶的负载量仅为10wt%时，1.2mm厚度的吸波体在14.2GHz处反射衰减可低至-49.1dB。更重要的是，Ti₃C₂T_x@GO气凝胶在S波段低频波段也获得了-38.3dB的反射衰减，且其匹配厚度为5.0mm。得益于Ti₃C₂T_x和GO之间的导电差异，以及两者形成的异质界面和丰富的表面基团，Ti₃C₂T_x@GO复合气凝胶显示出极佳的阻抗匹配和电磁衰减性能。此外，独特的气凝胶结构不仅为吸波体提供了重量轻的优点，而且还延长了电磁波入射后的衰减路径。这些特征的共同作用，使其表现出优异的微波吸收性能（图5）。

该工作通过静电纺丝结合快速冷冻这种比较简单的工艺，成功制备了GO/MXene新型复合气凝胶吸波材料。这种复合气凝胶材料较好地拓展了GO基吸波材料的吸收带宽，使其在小厚度和低负载的情况下，不仅适用于C-Ku波段，而且适用于的低频S波段。因此，这种材料在武器、卫星和日常防护等领域具有潜在的电磁波吸收潜力。 

相关论文：

Li, Y., et al. Electrospun generation of Ti3C2Tx MXene@graphene oxide hybrid aerogel microspheres for tunable high-performance microwave absorption. Chemical Engineering Journal, 2020, 391: 10.

信息来源： OIL实验室

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