具有独特三维多孔网络结构的壳聚糖基碳基磁性复合气凝胶的合成——作为环保且高效的电磁波吸收剂

《Materials Today Chemistry》：Synthesis of chitosan derived carbon-based magnetic composite aerogels with a unique three-dimensional porous network structure as eco-friendly and high-efficiency electromagnetic wave absorbers

碳化壳聚糖基磁性复合气凝胶通过两步法（物理交联+高温碳化）制备，在700℃碳化温度及16%填充比下实现最优电磁波吸收性能，厚度2.52mm时最小反射损耗-69.25dB，有效吸收带宽6.56GHz（2.44-8.99GHz），其3D多孔结构与铁离子/氮掺杂协同作用提升吸波性能。

　　随着5G和6G通信技术的迅速发展，电磁辐射污染问题日益凸显，成为亟需解决的重要课题。传统的电磁波（EMW）吸收材料在性能和成本方面存在一定的局限性，而近年来，基于生物源材料的碳基复合材料因其低成本、环境友好等优势，展现出在电磁波吸收领域的广阔前景。本文围绕基于壳聚糖碳化（CDC）的磁性复合气凝胶展开研究，通过物理交联与高温碳化相结合的两步法成功合成了该材料，并对其结构特性与电磁波吸收性能进行了系统分析。研究结果表明，当碳化温度为700°C且填充比为16 wt%时，该复合气凝胶表现出最佳的电磁波吸收效果。在2.52 mm厚度下，其最小反射损耗达到了?69.25 dB，吸收带宽达到6.56 GHz。此外，该材料还展现出优异的雷达散射截面（RCS）性能，反射损耗减少了33.4 dB·m2。本文的研究不仅为新型电磁波吸收材料的设计与开发提供了理论依据，也为实现高效、宽带的电磁波吸收功能提供了可行的解决方案。

在现代高科技的不断进步背景下，无线通信和雷达隐身等电磁波技术已广泛应用于民用和军用领域，极大地便利了人类社会的发展。然而，随着这些技术的广泛应用，电磁辐射污染和信息泄露的风险也逐渐显现，成为当前亟需解决的重大挑战。电磁波不仅会对精密仪器和电子设备造成干扰，还可能对人体健康产生不良影响，如导致细胞突变、基因异常等。更进一步，电磁波还可能引发失眠、头晕、神经功能障碍等健康问题。因此，电磁波被视为继噪声、空气和水污染之后的第四大污染源。基于此，研发新型电磁波吸收材料已成为重要的研究方向。提升吸收强度、减少匹配厚度、拓宽吸收带宽是电磁波吸收材料研究的主要目标。

碳材料在人类文明的发展中发挥了关键作用，传统的碳材料推动了科技的进步。近年来，各种新型碳材料如碳纳米管、氧化石墨烯和碳基气凝胶因其卓越的稳定性和优异的性能而受到广泛关注。其中，碳气凝胶因其高比表面积、发达的孔隙结构、低密度和三维（3D）多孔网络结构，被认为是潜在的轻质电磁波吸收材料。生物源材料作为一种可再生的碳资源，广泛存在于农业、林业以及市政废弃物中。值得注意的是，考虑到其环境效益，生物源废弃物是所有生物源材料中最优质的碳源。因此，生物源衍生的碳材料具有广泛的来源和可再生性，这符合绿色可持续发展的趋势。壳聚糖是一种通过化学过程从天然多糖甲壳素中去除部分乙酰基而获得的材料，甲壳素是一种天然存在的阳离子多糖。甲壳素在酸性水溶液中易于溶解，并形成阳离子基团。此外，壳聚糖是地球上发现的一种最丰富且无害的生物聚合物材料。利用壳聚糖构建电磁波吸收材料，不仅有助于废弃物壳的回收和利用，还能提高资源利用效率，减少环境污染。更重要的是，壳聚糖分子中含有氨基和羟基，这些官能团可以通过螯合作用与金属离子结合并稳定其结构。其中，壳聚糖中的氨基能够实现原位氮掺杂，从而有效诱导结构缺陷，进而显著增强电磁波的衰减效果。基于这些特性，壳聚糖被广泛研究作为电磁波吸收材料的前驱体。

受上述材料调控方法和三维多孔网络结构设计的启发，本文采用物理交联与高温碳化相结合的两步法，成功制备了基于壳聚糖碳化（CDC）的磁性复合气凝胶。通过调整碳化温度，可以有效地调控复合气凝胶的电磁参数和阻抗匹配。值得注意的是，壳聚糖本身具有特殊的结构，其携带的氨基可用于原位氮掺杂碳材料，进一步诱导偶极极化。当碳化温度为700°C且填充比为16 wt%时，所制备的CDC基磁性复合气凝胶表现出最佳的电磁波吸收性能。本文的研究成果为开发高效、宽带的电磁波吸收材料提供了新的思路和方法。

在材料合成过程中，首先制备了2%（v/v）的乙酸溶液，并将0.45 g的壳聚糖粉末缓慢加入15 mL的乙酸溶液中，在磁力搅拌下持续搅拌30分钟，使壳聚糖完全溶解。随后，将0.2 mmol的FeCl?·6H?O加入上述溶液中，继续搅拌直至混合物均匀，最终形成水凝胶。将所得的凝胶在?50°C下进行冷冻干燥，持续48小时。最后，通过高温碳化处理，进一步形成最终的复合气凝胶。该合成过程的关键在于物理交联和高温碳化两个步骤的协同作用，确保了材料的结构稳定性和电磁性能的优化。

为了进一步了解CDC基磁性复合气凝胶的结构特性，本文对其进行了详细的结构分析。通过X射线衍射（XRD）技术对复合气凝胶的晶体结构进行了表征。随着碳化温度的升高，铁离子逐渐被还原。图2(a)显示了特征峰位于30.2°、35.5°、43.2°、57.1°和62.7°，分别对应于Fe?O?（JCPDS No. 88–0315）的（220）、（311）、（400）、（511）和（440）晶面。其中，44.7°的峰可归因于Fe（JCPDS No. 89–7194）的（110）晶面。这些晶体结构的表征结果表明，复合气凝胶中存在明显的铁氧化物和铁单质结构，这有助于增强其电磁波吸收能力。

除了晶体结构分析，本文还对复合气凝胶的微观结构进行了研究。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对材料的表面形貌和内部结构进行了观察。结果表明，CDC基磁性复合气凝胶具有高度发达的三维多孔网络结构，孔隙分布均匀，孔径大小适中，这为电磁波的传播提供了有效的路径。同时，这种结构也增强了电磁波在孔壁表面的多次反射，从而提高了材料的电磁波吸收性能。此外，材料中的磁性颗粒与壳聚糖碳基之间形成了丰富的异质界面，这些界面在电磁波吸收过程中起到了重要的能量耗散作用。异质界面的形成不仅增加了材料的界面极化效应，还提高了其多重反射和介电损耗能力，从而进一步增强了电磁波的吸收效果。

在电磁波吸收性能方面，本文通过反射损耗（RL）和有效吸收带宽（EAB）等指标对CDC基磁性复合气凝胶进行了评估。实验结果表明，当碳化温度为700°C且填充比为16 wt%时，该材料在2.52 mm厚度下表现出最低的反射损耗?69.25 dB，有效吸收带宽达到6.56 GHz。这一性能表现远优于传统材料，表明该复合气凝胶具有优异的电磁波吸收能力。此外，该材料还展现出良好的雷达散射截面（RCS）性能，反射损耗减少了33.4 dB·m2。这说明该材料不仅能够有效吸收电磁波，还能够在雷达隐身方面发挥重要作用。

为了深入探讨电磁波吸收的潜在机制，本文从材料的结构和组成角度出发，分析了其吸收性能的来源。首先，三维多孔网络结构为电磁波的传播提供了有效的路径，这有助于增强材料的多重反射能力。其次，材料中的磁性颗粒与壳聚糖碳基之间形成的异质界面能够有效耗散电磁波能量。此外，原位氮掺杂的碳基材料能够诱导结构缺陷，从而增强材料的偶极极化效应。这些因素共同作用，使得CDC基磁性复合气凝胶在电磁波吸收方面表现出优异的性能。

此外，本文还对材料的其他性能进行了研究，如热稳定性、机械强度和环境友好性。通过热重分析（TGA）和压缩测试，发现该复合气凝胶在高温下仍能保持良好的稳定性，并具有较高的机械强度。这表明该材料不仅适用于电磁波吸收，还能够在高温和机械应力环境下保持性能。同时，该材料的制备过程充分考虑了环境友好性，采用物理交联和高温碳化等方法，减少了化学试剂的使用，降低了对环境的污染。

为了进一步验证材料的电磁波吸收性能，本文还进行了多种实验测试，包括反射损耗测量、有效吸收带宽分析和雷达散射截面测试。实验结果表明，该复合气凝胶在不同厚度和频率范围内均表现出良好的吸收性能。特别是在2.44 mm厚度下，有效吸收带宽达到了6.56 GHz，这表明该材料具有宽频带的电磁波吸收能力。同时，其雷达散射截面的降低表明该材料在雷达隐身方面具有良好的应用前景。

本文的研究成果不仅为新型电磁波吸收材料的设计与开发提供了理论支持，还为实现高效、宽带的电磁波吸收功能提供了可行的解决方案。通过调控碳化温度和填充比，可以优化材料的电磁参数和阻抗匹配，从而提高其吸收性能。此外，该材料的制备过程充分考虑了环境友好性和资源利用率，符合绿色可持续发展的趋势。因此，本文的研究对于推动生物源衍生碳基复合材料在电磁波吸收领域的应用具有重要意义。

综上所述，本文通过物理交联与高温碳化相结合的两步法，成功制备了基于壳聚糖碳化的磁性复合气凝胶。该材料具有高度发达的三维多孔网络结构，能够有效增强电磁波的多重反射能力。同时，磁性颗粒与壳聚糖碳基之间形成的异质界面能够进一步耗散电磁波能量，从而提高材料的吸收性能。原位氮掺杂的碳基材料能够诱导结构缺陷，增强偶极极化效应，进一步提升材料的电磁波吸收能力。实验结果表明，该复合气凝胶在2.52 mm厚度下表现出最低的反射损耗?69.25 dB，有效吸收带宽达到6.56 GHz。此外，该材料还展现出优异的雷达散射截面性能，反射损耗减少了33.4 dB·m2。这些性能表现表明，该材料不仅能够有效吸收电磁波，还能够在雷达隐身方面发挥重要作用。本文的研究成果为开发高效、宽带的电磁波吸收材料提供了新的思路和方法，具有重要的应用价值。