《Carbon》：具有多级孔结构的石墨烯基磁性复合泡沫微波吸收性能研究

Graphene-based magnetic composite foam with hierarchically porous structure for efficient microwave absorption

Shuangshuang Li, Tiantian Ma, Zheyuan Chai, Zihang Zhang, Mingyang Zhu, Xinwei Tang, Xu Zhao, Yezi Lu, Qianqian Lan, Zhenyu Wang, Feng He, Zicheng Wang*, Tianxi Liu*

Carbon 2023, DOI: 10.1016/j.carbon.2023.02.066

随着电子设备的快速发展，电磁污染问题日益严峻。不仅对邻近的电子设备产生干扰，还会严重影响人类的身心健康。因此，设计组装具有高性能的微波吸收材料成为当今社会亟待解决的热点问题之一。近些年来，碳基磁性泡沫材料，特别是石墨烯基磁性泡沫材料，凭借其超高的比表面积、极低的表观密度和优异的导电性能已经成为一类具有高效微波吸收性能的材料。目前，大多数石墨烯泡沫都是通过冷冻干燥法制备获得的，孔径尺寸约为50-100 μm，而有研究表明，与微米级孔相比，纳米级孔结构在衰减入射电磁波方面同样发挥着重要作用。因此，如何在石墨烯基泡沫骨架表面进行纳米孔结构设计，实现多级孔磁性复合泡沫的可控制备就变得尤为重要。

鉴于此，江南大学纳米复合与能源材料研究中心刘天西教授课题组报道了一种具有多级孔结构的磁性泡沫材料。通过水热方式制备还原氧化石墨烯泡沫基体，随后铁基MOF自组装在石墨烯泡沫内表面并进行高温退火使得片状MOF有效转变为各向异性多孔磁性纳米片（Fe₂O₃），成功构建了从微孔到纳米孔的多级孔磁性泡沫复合材料，诱导产生更多多重散射损失和缺陷极化损失。研究表明，石墨烯泡沫骨架和各向异性多孔磁性纳米片（Fe₂O₃）之间层级阻抗梯度结构的合理构建有利于泡沫材料的表面阻抗匹配和衰减特性的优化，从而促进入射电磁波能够更容易进入材料内部并尽可能地进行有效耗散。当退火温度为60 ^oC、时间为6 h时，兼具低密度（12.15 mg/cm³）的石墨烯/Fe₂O₃磁性纳米片（GMF）复合泡沫展现出最佳微波吸收性能。当材料厚度为4.84 mm时，其在8.03 GHz频率下表现出最小反射损耗值（-60.13 dB），性能远优于商用微波吸收材料（-10 dB）。同时，最大有效吸收带宽（< -10 dB）可以达到6.23 GHz（10.97-17.20 GHz）。此外，微波吸收性能可以通过改变退火温度和时间来进行有效调控。更重要的是，制备的复合泡沫具有优异的稳定性和耐久性。经过200 h中性盐雾试验后，复合泡沫仍然保持优异的微波吸收性能，当材料厚度为2.31 mm时，其在18.00 GHz频率下表现出最小反射损耗值-32.88 dB。同时，有效吸收带宽（< -10 dB）可以扩展到7.1 GHz（10.8-17.9 GHz）。如此优异的吸波性能使其有望应用于严酷的潮湿环境中。

论文连接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.02.066

具有多级孔结构的GN/Fe₂O₃磁性复合泡沫吸波性能图