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Ultralight Magnetic and Dielectric Aerogels Achieved by Metal–Organic Framework Initiated Gelation of Graphene Oxide forEnhanced Microwave Absorption
Xiaogu Huang*, Jiawen Wei, Yunke Zhang, Binbin Qian, Qi Jia, Jun Liu, Xiaojia Zhao, Gaofeng Shao*
Nano-Micro Letters (2022)14: 107
https://doi.org/10.1007/s40820-022-00851-3
本文亮点
1. 基于MOF直接诱导GO凝胶策略，合成了MOF/rGO杂化气凝胶。
内容简介
以MOF和GO为微纳结构基元构筑的三维超轻质MOF/rGO杂化气凝胶，在能量储存与转化、环境治理、微波吸收等领域有着广阔的应用前景。南京信息工程大学电磁功能材料研究团队报道了一种基于MOF直接诱导GO凝胶策略合成的MOF/rGO杂化气凝胶，揭示了MOF/rGO湿凝胶的形成机理，研究了MOF/rGO气凝胶衍生的超轻磁-介电气凝胶的微波吸收性能，阐明了磁-介电气凝胶多尺度多组分电磁损耗机制。以MIL-88A纳米棒为例，暴露在MIL-88A纳米棒表面的自由金属离子可作为交联剂，通过金属-氧共价或静电相互作用将GO纳米片诱导组装形成三维多孔网络结构。归因于多级孔结构和异质界面工程的协同效应，MOF/rGO气凝胶衍生的超轻磁-介电气凝胶在极低的填充量(0.7和0.6 wt%)下同时实现了宽频和强吸收。具体而言，Fe3O4@C/rGO在厚度为2.5 mm时，反射损耗达到-58.1 dB、有效吸收带宽为6.48 GHz；Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO在厚度为2.8 mm时，反射损耗达到-46.2 dB，有效吸收带宽为7.92 GHz。此外，采用雷达截面模拟计算进一步验证了所制备气凝胶优异的微波衰减能力。这项工作为制备多级孔结构的MOF/rGO杂化气凝胶及超轻型微波吸收材料提供了有效途径。
图文导读
图1显示了三维MOF/rGO气凝胶及其衍生气凝胶的制备过程。GO水溶液和预合成的MOF (MIL-88A)晶体悬浮液在剧烈摇晃的条件下混合均匀。由于MIL-88A晶体表面的自由Fe³⁺和GO表面含氧官能团之间的金属-氧共价或静电相互作用，防止不溶性MIL-88A纳米棒在混合溶液中沉淀，从而提供了稳定的悬浮液。在适度的加热条件下，混合悬浮液即可凝胶，经过冷冻干燥得到MOF/rGO气凝胶，热处理后获得MOF/rGO衍生气凝胶。
II MOF/rGO湿凝胶的形成机理
III MOF/rGO衍生磁-介电气凝胶的微观结构
IV MOF/rGO衍生磁-介电气凝胶的吸波性能
Fe₃O₄@C/rGO和Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO气凝胶显示出优异的吸波性能，在超低填充量(0.7和0.6 wt%)条件下同时实现了宽频和强吸收。Fe₃O₄@C/rGO在厚度为2.5 mm时，反射损耗达到-58.1 dB、有效吸收带宽为6.48 GHz；Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO在厚度为2.8 mm时，反射损耗达到-46.2 dB，有效吸收带宽为7.92 GHz。两种气凝胶的吸波性能差异归因于原始MOF纳米棒的尺寸和组成对电磁响应能力的差异。与近期文献中报道的尖晶石结构的复合材料相比，Fe₃O₄@C/rGO和Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO气凝胶在填充量和带宽方面都具有明显优势。此外，本文采用TLSW值，即反射损耗×带宽/厚度/填充量，来评价高效吸波材料的综合性能。与文献报道的高性能吸波材料相比，Fe₃O₄@C/rGO和Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO气凝胶具有较高的TLSW值，反映了其出色的微波吸收性能。
V MOF/rGO衍生磁-介电气凝胶的雷达截面模拟
采用CST模拟计算验证了MOF/rGO衍生气凝胶的微波吸收性能。结果表明Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO气凝胶在X波段具有较优的微波吸收性能，而Fe₃O₄@C/rGO气凝胶在Ku波段的散射信号弱于Ni掺杂Fe₃O₄@C/rGO气凝胶。
VI MOF/rGO衍生磁-介电气凝胶的吸波机理
宏观层面上，三维多孔结构促使电磁波能充分进入气凝胶内部。电磁波在多孔空间中的多次随机反射和散射，提供了良好的阻抗匹配。微观层面上，入射电磁波被由rGO纳米片、Fe₃O₄@C或Ni掺杂Fe₃O₄@C纳米胶囊和铁磁性纳米颗粒组成的多组分胞壁捕获并衰减。气凝胶胞壁中的多重极化弛豫包括由rGO骨架上的缺陷和含氧官能团引起的偶极极化，以及Fe₃O₄@C或Ni掺杂Fe₃O₄@C纳米胶囊、铁磁性纳米颗粒和石墨烯片之间的多重异质界面极化。气凝胶胞壁的互连导电结构能有效促进导电损耗。此外，空间上分散的铁磁纳米颗粒悬浮在多孔的三维框架内，提供了一个多尺度的磁网络空间，可有效增强磁响应能力。因此，多组分多结构的磁电共损效应使得MOF/rGO衍生磁-介电气凝胶具有优异的微波吸收性能。
作者简介
本文通讯作者
功能基元序构气凝胶材料、聚合物前驱体转化陶瓷材料。
▍个人简介
▍Email: gfshao@nuist.edu.cn
本文第一&通讯作者
电磁隐身及电磁防护、多物理场模拟与仿真等。
▍个人简介
▍Email: hxg@nuist.edu.cn
撰稿：原文作者
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