优异的吸波性能!具有特殊香蕉叶状微结构的气凝胶

近年来,随着先进检测技术的发展,高性能微波吸收材料由于在民用的隐身技术领域和军事武器应用越来越多,因此受到广泛关注。理想的吸波材料应具有强吸收性、宽吸收带、低密度和薄厚度。然而,传统的吸波材料(磁性金属及其合金或氧化物)具有高密度和较厚涂层的缺点。目前,在薄厚度下具有优异吸收性能的轻质吸波材料的设计与制造已成为吸波材料最重要的研究方向之一。

二硫化钼(MoS2)由三个原子层组成,即夹在两个S层之间的金属Mo层。这三层通过范德华相互作用堆叠并保持在一起,这种结构类似于石墨。由于其特殊的结构和化学特性,MoS2已广泛应用于许多领域,包括纳米电子学、电催化、能量存储设备等。由于Mo原子之间的二维(2D)电子-电子相关性将有助于增强平面电磁波传输性能,因此MoS2有望充当出色的吸波功能材料,但纯MoS2的吸波性能差,研究发现其与碳材料混合可以实现较强的电磁波吸收,但涂层厚度太大一直是个问题。

针对上述问题,四川大学王玉忠课题组报道了一种轻质C掺杂MoS2气凝胶的设计和制备方法,气凝胶具有特殊的香蕉叶状微结构,有优异的吸波性能。气凝胶前驱体首先通过海藻酸(Alg)和硫代钼酸铵(ATM)之间的自组装过程制备,其中Alg作为模板与ATM一起在定向冷冻过程中沿着冰的生长方向组装成规则的香蕉叶状结构。在900°C下热解后,掺C的MoS2气凝胶保持低密度和多孔的层状香蕉叶状结构。掺C的MoS2气凝胶在2-18 GHz的频率范围内具有出色的微波吸收性能。最小反射损耗(RL)在5.4 GHz时达到-43 dB,匹配厚度为4 mm,有效微波吸收带(RL <10 dB)在1.5 mm时达到4 GHz(14-18 GHz)。这项工作为设计用于电子设备、催化和其他潜在应用的MoS2气凝胶纳米结构提供了借鉴。相关工作以“Banana Leaflike C-Doped MoS2 Aerogels toward Excellent Microwave Absorption Performance”为题发表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。

论文链接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01841

737d7fe5j00qbpds70012c000u0008zc

在C掺杂的MoS2-0.5气凝胶中存在一些针状结构,这可能是由于少量的Alg无法将所有ATM连接成香蕉叶状结构所致。当Alg含量增加时,越来越多的ATM连接在一起并聚集成团,而叶子变得越来越厚。掺杂C-MOS2-1.5气凝胶,针状结构消失,小叶片组装成香蕉叶状结构。随着Alg含量的增加,气凝胶的叶子之间的间隙增加,而叶子变得更加细腻。可以清楚地观察到气凝胶的分层微观结构,会增加多重反射,这对于微波吸收是有利的。

图1. SEM图(a)Alg气凝胶,(b)ATM气凝胶,(c)Alg/ATM气凝胶,(d)C掺杂MoS2-0.5气凝胶,(e)C掺杂MoS2-1气凝胶的SEM图像(f)C掺杂的MoS2-1.5气凝胶
图1. SEM图(a)Alg气凝胶,(b)ATM气凝胶,(c)Alg/ATM气凝胶,(d)C掺杂MoS2-0.5气凝胶,(e)C掺杂MoS2-1气凝胶的SEM图像(f)C掺杂的MoS2-1.5气凝胶

 

当混合Alg溶液和ATM溶液时,Alg中的-COO–和ATM中的-S––Mo–S –可以通过NH4 +连接,而Alg中的-OH和-S––Mo–S –可以连接。在ATM中可能会形成氢键。在定向冷冻期间,Alg/ATM可以沿着冰晶生长的方向组装成规则的香蕉叶状结构。取出冰模板并停止热解后,保留了定向的Alg/ATM。

图2. C掺杂的MoS2气凝胶的香蕉叶状形态形成过程的示意图
图2. C掺杂的MoS2气凝胶的香蕉叶状形态形成过程的示意图

 

由于纳米MoS2粉末的介电常数低,因此在整个测试频率范围内显示出非常低的RL值。纯碳气凝胶的RL也较低,这归因于其阻抗匹配差。有趣的是,纳米MoS2/碳气凝胶混合物仍显示出弱吸收性,最小RL为-11 dB,表明仅将高介电常数的碳气凝胶和低介电常数的纳米MoS2混合不能改善微波吸收性能。相比之下,掺C的MoS2-1.5气凝胶在1.5–4 mm的厚度下显示出出色的微波吸收性能。通过改变C掺杂的MoS2-1.5气凝胶样品的厚度,在4.5–18 GHz的频率范围内可以吸收超过90%的微波能量。在5.4 GHz处观察到的最小RL为-44.3 dB,厚度为4 mm,而有效吸收带宽在1.5 mm处的厚度约为4 GHz(14-18 GHz)。随着涂层厚度的增加,由于四分之一波长衰减的形成需要样品厚度和频率满足相位匹配这一事实,最小RL趋向于移至较低频率。

图3.(a)Alg气凝胶的碳气凝胶,(b)纳米MoS2粉末,(c)纳米MoS2 /碳气凝胶混合物和(d)C掺杂的MoS2-1.5气凝胶的RL曲线,在2-18 GHz的频率范围
图3.(a)Alg气凝胶的碳气凝胶,(b)纳米MoS2粉末,(c)纳米MoS2 /碳气凝胶混合物和(d)C掺杂的MoS2-1.5气凝胶的RL曲线,在2-18 GHz的频率范围

 

该材料的吸波机理为:首先,气凝胶的良好阻抗匹配可以减少表面反射,并使大多数电磁波进入吸收材料内部,这是强吸收微波的前提。其次,香蕉叶状结构中的掺杂碳使气凝胶具有适度的导电性。当微波进入气凝胶-石蜡复合材料时,电磁能可以使与空气接触的电子移动,沿着相连的香蕉叶状结构形成快速的电子迁移路径,然后移动到整个基底,并形成导电网络。第三,由于碳和MoS2基体之间的电导率不同,许多偶极对在它们的界面处积聚,从而产生界面极化。此外,香蕉叶的分层结构可以提供大量的多个反射和散射位点,从而进一步增强了微波衰减。气凝胶中的缺陷也可能导致缺陷极化,含氧基团和不完善的碳结构会产生偶极极化。因此,电导损耗和极化损耗可以有效地将入射微波转换为热能并使其消散。

图4 吸波机理示意图
图4 吸波机理示意图

通过Alg和ATM之间的自组装过程,制造了具有规则香蕉叶状微结构的轻质C掺杂MoS2气凝胶。在所得的C掺杂的MoS2气凝胶中,具有可控量的石墨化碳均匀地掺杂在具有独特层次结构的结晶MoS2气凝胶基质中。香蕉叶状碳掺杂的MoS2气凝胶在2-18 GHz的频率范围内具有优异的吸波性能,界面极化可以有效地将入射的微波能量转换为热能并消散微波。含30 wt% C掺杂MoS2-1.5气凝胶,厚度为4 mm,有效吸波带宽达到4 GHz,厚度仅为1.5 mm,RL最低值为-44.3 dB,优于其他MoS2基材料。这种具有分层香蕉叶状结构的气凝胶的吸波机制主要来自适度的电导损耗、界面极化损耗、多次反射和良好的阻抗匹配。低密度、耐高温和耐腐蚀的宽带吸收材料是吸波材料的未来方向。这种掺有碳的MoS2气凝胶结合了多孔的特殊规则微结构,也有望用于电子、电化学、催化等其他应用。此外,这项研究为高密度高效微波吸收材料的设计制备提供了新方法。

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