山东大学《Carbon》：多功能纤维素纳米纤维辅助制备超轻、可扩展碳纳米管气凝胶，用于航空航天领域等
1成果简介
本文，山东大学刘久荣/曾志辉教授、中国科学院纳米科学与技术国家中心Feng Gao等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“Versatile cellulose nanofibril assisted preparation of ultralight, scalable carbon nanotube aerogel-based electromagnetic wave absorbers with ultrahigh reflection loss”的论文，可持续纤维素纳米纤维（CNF）被有效利用，促进了超轻、高孔隙率碳纳米管（CNT）杂化气凝胶基电磁波（EMW）吸收体的制备。CNF不仅作为绿色表面活性剂避免CNT的聚集，还作为支撑基质或粘合剂促进多孔CNT基气凝胶的构建。
此外，CNF前驱体有助于产生用于高效介电调制器的CNF衍生纳米碳（CNFC），从而实现可调谐的电磁参数和良好的阻抗匹配。结合CNFC的损耗能力，增强了CNT基气凝胶的EMW吸收性能。因此，混合气凝胶表现出EMW吸收性能，有效吸收带宽为3.3 GHz，在76 wt%的填充比下具有−46.5 dB的超高反射损耗，优于其他基于CNT的EMW吸收体。详细分析了多种EMW吸收机制对杂化气凝胶的协同效应，证明了CNF或CNFC在构建高效碳纳米管基EMW吸收器中不可或缺的作用。结合绿色、可持续、方便和可扩展的制备方法，基于碳气凝胶的EMW吸收剂在电磁兼容性或保护和航空航天领域的应用非常有前途。
2图文导读
图1. (a) CNT-C混合气凝胶的制备过程示意图。
(b) CNT、含有约75wt% CNF的CNT-CNF气凝胶（相当于CNT-C50气凝胶）和CNF的FT-IR光谱。
(c) 不含CNF（CNT）、含有约75wt% CNF的CNT-CNF气凝胶（相当于CNT-C50气凝胶）和纯CNF分散体在水中的Zeta电位。
(d) CNT在去离子水中的自然团聚沉降。
(e) 激光通过CNT-CNF分散体的典型Tyndall效应。
(f) CNT-C50气凝胶的照片显示了其超轻的性质。
(g) CNT-C50气凝胶的SEM和(i, j)TEM图像，
(h)XRD图案，(k)CNT和CNT-C25、CNT-C50、CNT-C75和CNFC气凝胶的拉曼光谱。
图2：（a）复数介电常数ε′的实部，（b）复数介电常数ε的虚部，（c）介电损耗tanδε的正切，（d）衰减常数α的频率相关性，（e）Cole-Cole图，以及（f）所有气凝胶的固有阻抗系数
图3. (a) CNT, (b) CNT-C25, (c) CNT-C50, (d) CNT-C75, 和 (e) CNFC的二维RL表示。(f) CNT-C50的Zin/Z0|与频率之间的关系
图4. (a1, a2) CNT, (b1, b2) CNT-C25, (c1, c2) CNT-C50, (d1, d2) CNT-C75, 和 (e1, e2) CNFC的三维和二维RL表示法。(a3) CNT, (b3) CNT-C25, (c3) CNT-C50, (d3) CNT-C75, 和 (e3) CNFC的Z′和Z″值与厚度和频率的二维投影图。
图5. (a) 最近报道的碳基吸收材料在不同填充率下的RLmin。(b) 微波吸收机制的示意图
3小结
受益于CNF或CNFC不可或缺的多功能作用，我们通过简单、绿色、可持续、可扩展的冷冻干燥和碳化过程制造了一系列CNT-C气凝胶。多孔结构和成分之间的协同作用使气凝胶具有超低密度和可调控的电磁参数。因此，混合碳气凝胶实现了良好的阻抗匹配和高电磁波衰减能力，导致了优异的电磁波吸收性能。在5wt%的低填充率下，CNT-C50的RLmin值在3.64mm处达到了-76.46dB，超过了之前报道的基于CNT的电磁波吸收体。这项工作不仅探索了CNT基混合气凝胶优异的电磁波吸收性能的多种机制，而且为完成基于碳纳米结构气凝胶的电磁波吸收器的成分和微观结构的合理设计提供了一种简便、高效的策略。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.118277
