近年来，随着便携式电子设备的广泛应用，无线信号传输在日常生活中更加普及。然而，这也不可避免地导致了日益严重的电磁干扰和污染问题，对环境和电子器件的正常运转构成了严重威胁。为了解决电磁波（EMW）辐射造成的有害影响，研究人员一直在致力于开发各种EMW吸收材料，包括碳材料、硫化物、导电聚合物和磁性材料等。尽管这些材料在电磁波吸收方面取得了一定的潜力，但它们仍存在吸收率较低、有效吸收带宽（EAB）受限以及材料厚度较大等问题，限制了其广泛的实际应用。同时，随着电子设备轻量化和集成化需求的不断增加，开发具备轻质、薄层、高效吸收和宽频带特性的电磁波吸收材料已成为新兴电子产品的一项关键要求。在此背景下，MXene/rGO复合气凝胶作为一种高效、多功能、轻质的EMW吸收材料，受到研究人员的广泛关注。然而，MXene/rGO气凝胶由于其单一的介质损耗机制和相互连接的致密电子传输网络，阻抗匹配特性较差，限制了其在EMW吸收性能方面的进一步提升。此外，对于具有三维网络结构的复合气凝胶，如何通过巧妙的微观结构设计和合理的多组分策略来实现多功能集成，仍然是一项亟待解决的挑战。

近日，山东大学材料科学与工程学院刘久荣/王凤龙教授团队，通过冰模板辅助定向冷冻干燥法和低温热处理工艺，制备了一种具有定向孔道结构的Co/MnO/Ti3C2TxMXene/rGO (CMMG)多组分杂化气凝胶。研究结果表明，构建具有垂直通道的三维导电网络结构可以有效防止纳米颗粒的聚集，实现EMW的高效多次散射。此外，磁性和介电双组分（Co/MnO）纳米颗粒的引入，带来了优异的阻抗匹配、大量的非均质界面以及多种损耗机制的协同作用，因此显著提高了其EMW吸收性能。组分优化后的CMMG-2气凝胶展现出最优的EMW吸收性能，在厚度为2.75 mm时，RLmin达到−77.41 dB；在厚度为2.45 mm时，最大EAB为6.56 GHz，超过了以往报道的大多数复合气凝胶。同时，CMMG-2气凝胶具有超低密度(6.9 mg cm⁻³)、优异的疏水性、卓越的隔热性能和高效的光热转换能力，保证了其在极端环境下的多种应用潜力。此外，复合气凝胶具有良好的导电性，可以作为应变传感器准确捕获外部压力和人体运动信号。本研究为开发多组分体系建立了一种简单而高效的结构设计策略，为设计具有磁介质协同体系和多种损耗机制的多功能三维垂直通道导电网络气凝胶型EMW吸收材料提供了灵感。

图1.(a) CMMG-X复合气凝胶的合成过程示意图。(b) CMMG-2气凝胶外部孔隙结构的SEM图像(插图为CMMG-2气凝胶的数码照片)。(c-d) CMMG-2复合气凝胶的SEM图像和EDS元素分布图。(e) CMMG-2的HRTEM图像。(f)CMMG-2气凝胶中Co/MnO纳米颗粒内部的晶格畸变。(g) MG和CMMG-X气凝胶的XRD图谱。CMMG-2气凝胶的高分辨(h) C1s和(i) Ti2p的XPS能谱图。(j) MG和CMMG-X气凝胶的拉曼光谱。

图2. (a) MG、(b) CMMG-1、(c) CMMG-2、(d) CMMG-3气凝胶的三维RL映射图。(e)各吸波剂的RL_min和EAB_max值的比较。(f) CMMG-2在1.7 ~ 3.1 mm处的EAB值。(g) MG和CMMG-X气凝胶的α值和阻抗匹配。(h)几种具有代表性的气凝胶基吸波剂的EMW吸收性能对比图。

图3. MG和CMMG-X气凝胶的(a)ε’,(b)ε”,(c) tanδε,(d)µ’,(e)µ”,(f) tanδµ值。

图4. (a) CMMG-2气凝胶的Cole-Cole图和(b) C0-f曲线。(c) MG和CMMG-2气凝胶的RL/Z-f曲线。(d) EMW吸收机理示意图。

图5. (a)水滴在CMMG-2气凝胶上的数码照片和CMMG-2气凝胶的WCA图像。(b)手持CMMG-2气凝胶的数码照片和红外图像。(c)加热板加热CMMG-2气凝胶的红外热成像图和(d)相应的温度-时间曲线。(e)模拟阳光照射(0.18 W cm⁻²)下CMMG-2气凝胶的红外热成像图和(f)温度变化。

图6.(a)基于CMMG气凝胶的压阻压力传感器的制备示意图。(b)闭合回路中不同应变下灯泡亮度的变化。(c)CMMG气凝胶对不同压缩应变的电流响应。(d)手腕弯曲产生的电流信号。(e)弯曲手臂产生的电流信号。

Guo C, Shao S, Zhang X, et al. Multifunctional MXene/rGO aerogels loaded with Co/MnO nanocomposites for enhanced electromagnetic wave absorption, thermal insulation and pressure sensing. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6840-x.