【原】南航《Small》：基于还原氧化石墨烯，实现高效的低频微波吸收！

无线技术、可穿戴电子设备和第五代无线系统（5G）的快速技术更新为我们提供了舒适，智能的生活。然而，电子产品产生的电磁辐射每天都在不断增长，导致对高性能微波吸收材料的迫切需求。对于便携式电子产品，理想的吸波材料应满足以下特性：吸收层厚度较小（小于2毫米），并且具有介电可调性，重量轻和多功能性。与磁性吸波材料不同，介电微波吸收材料更适用于电驱动以调整微波吸收能力，原因是在调整过程中仅需要考虑介电常数。

二维材料石墨烯是一种介电材料，由于其优异的导电性、化学稳定性、重量轻，是电子产品生产中电磁波吸收的最有潜力的候选者，并且可以用作设计和组装新型功能性吸波纳米微粒的基础材料。电子设备的有效工作频率为2.0–8.0 GHz，但由于石墨烯强介电损耗和微弱的磁损耗引起的阻抗匹配差使得纯石墨烯具有较差的阻抗匹配和较差的低频微波吸收性能，因此这严重阻碍了石墨烯在电子工业领域的应用。最近的研究表明，用磁性纳米粒子修饰石墨烯是提高由阻抗不匹配和不良的低频微波吸收能力引起的较差性能的理想方法。然而，磁性纳米粒子总是倾向于团聚，这导致微波吸收性能以及使用寿命的严重恶化。

近日，南京航空航天大学、南洋理工大学、太原理工大学、华盛顿大学和苏州大学等研究人员共同提出了一种超分子尺度的笼式限域热解策略，以构建两种介电电磁波吸收剂，其中MoO₂纳米颗粒均匀地夹在多孔碳壳和氧化石墨烯（RGO）之间。两种夹心结构均来自掺杂有两种不同交联剂（有/无氧桥）的杂化水凝胶，它们可以精确地限制钼源。在不添加磁性成分的情况下，两种吸收剂均具有出色的低频吸收性能，介电可调性和增强的反射损耗值，这优于其他的2D介电吸收剂，并满足便携式电子产品的要求。值得注意的是，在交联剂中引入氧桥会产生更稳定的封闭构型，这又使其对应的衍生物表现出额外的多频电磁波吸收特性。还研究了三元混合吸收剂的固有电磁波调节机理。结果表明，电磁波吸收性能的提高归因于适度的衰减常数和较好的阻抗匹配。这种二维介电电磁波吸收剂为多/低频电磁波吸收材料的设计制备开辟了一条新途径。相关工作以“Confining Tiny MoO₂ Clusters into Reduced Graphene Oxide for Highly Efficient Low Frequency Microwave Absorption”为题发表在国际著名期刊《Small》上。

论文链接：

https://onlinelibrary./doi/full/10.1002/smll.202001686

图1.C@MoO₂/G复合材料合成过程的示意图

在这项工作中，通过使用N，P掺杂的碳壳和N，P掺杂的RGO支撑物（表示为C@MoO₂/G）之间夹着微小的MoO₂簇（约12 nm或更小），制备了二维三元杂化复合材料。

图2. C@MoO₂/G复合材料的表征

C@MoO₂/G-0，C@MoO₂/G-1和C@MoO₂/G-2 的明场扫描透射电子显微镜（BF-STEM）图像显示均匀覆盖了许多无定形碳在还原的氧化石墨烯纳米片的表面上，MoO₂团簇被完全包封在多孔碳中，阻碍了团聚和MoO₂团簇的进一步生长。

图3. 反射损耗曲线

图4 吸波机理分析

反射损耗RL值是评估材料吸波性能的重要参数，由于MoO₂的均匀分散和小尺寸，C@MoO₂/G-1和C@MoO₂/G-2表现出比C@MoO₂/G-0更好的RL特性。C@MoO₂/G-0的最佳RL值在厚度为1.85 mm的10.5 GHz时仅达到-9.8 dB。但是，C@MoO₂/G-1在16 GHz时厚度仅为1.5 mm时可达到−35.4 dB的最强吸收强度，而有效吸收频带EAB在2.1 GHz时厚度仅为4.5 mm（9至13.5 GHz）。C@MoO₂/G-2在6.9 GHz，厚度为5 mm时产生的RL峰值为-33.5 dB，在厚度为3.35 mm时，EAB为8.9至13.78 GHz（即4.88 GHz）。该复合材料介电损耗占主导，良好阻抗匹配导致宽频率吸波能力，这对于改善低频衰减和强吸收至关重要。覆盖在MoO₂颗粒和碳层中的石墨烯片也构成了微电流导电网络。此外，偶极极化和界面极化也发挥作用。

综上所述，本文报告了一种通过将MoO₂簇夹在RGO和N，P掺杂的多孔碳覆盖层之间来开发具有介电可调和低频吸波能力的2D微波吸收材料的新策略。这种夹层结构会产生大量的界面极化和许多微电流传导网络，从而带来出色的低频吸收性能，介电可调性和高反射损耗RL值，为实际应用中基于介电可调纳米粒子的电磁波吸收剂的设计和制备提供了新的策略。（文：嘉一）