由二维碳纳米片组装而成的用于微波吸收的一维超结构

《Journal of Materials Science & Technology》：1D superstructure assembled from 2D carbon nanosheets for microwave absorption

碳纳米管表面二维纳米片组装结构通过模板合成实现，有效抑制高温碳化过程纳米管聚集并提升比表面积，形成多重界面极化与电磁波反射机制，在1.5mm厚度下实现66dB最大反射损耗和5.5GHz有效吸收带宽，填充量仅10wt%。

　　近年来，随着物联网和网络实体系统的迅速发展，智能检测、无线通信和人工智能等技术得到了广泛应用。这一趋势带来了大量的电磁（EM）辐射，对电子设备的正常运行、信息检测的准确性以及人们的身心健康构成了潜在威胁。因此，研究如何有效吸收和减少这些电磁波的干扰变得尤为重要。微波吸收材料（MAMs）被认为是解决电磁辐射问题的潜在候选材料。由于碳材料具有多样化的形态、低密度、丰富的储量以及可调控的电磁特性，其在电磁吸收领域的研究受到了广泛关注。

然而，纯碳材料在电磁吸收方面仍面临一些挑战。例如，碳材料与自由空间之间的阻抗差异较大，导致其在电磁波吸收过程中难以实现良好的阻抗匹配。此外，纯碳材料的电磁损耗机制主要来源于碳框架的导电损耗以及异原子掺杂和附着官能团引起的偶极子极化损耗。这种机制在一定程度上限制了其电磁吸收性能的提升，未能有效激发额外的电磁损耗过程，如界面极化损耗和多重反射或散射行为。为了解决这些问题，研究人员尝试将碳材料与二次介电组分（如金属硫化物、金属氧化物和金属碳化物）结合，以增强其电磁吸收性能。这种复合材料能够通过增加整体介电损耗能力，优化阻抗匹配，并引入丰富的异质界面，从而实现更高效的电磁波吸收。

尽管金属硫化物、氧化物和碳化物在提升碳基复合材料的电磁吸收性能方面表现出色，但它们也存在一些固有的缺点，例如容易腐蚀和在某些严格条件下出现介电性能下降。这些因素在一定程度上限制了其在实际应用中的可行性。因此，研究者们开始关注不同石墨化程度的碳成分之间的组合，以探索更优的电磁吸收性能。例如，有研究将还原氧化石墨烯（rGO）纳米片包裹在碳纳米纤维（CNFs）表面，通过异质界面实现多重极化和多重电磁波反射，从而显著提升电磁吸收效果。此外，一些研究通过构建空心碳纳米纤维并使其表面生长石墨烯纳米棒，实现了更宽的电磁波吸收频段。这些成果表明，结构工程在提升碳材料电磁吸收性能方面具有巨大潜力。

然而，目前大多数研究主要集中在构建三维（3D）碳超结构，例如通过组装纳米管、纳米颗粒、纳米纤维和纳米片等基本单元。虽然这些结构在电磁吸收方面表现出良好的性能，但其最佳填料负载量往往较高，例如某些结构的最优负载量为33 wt%、35 wt%或50 wt%，这使得它们在实际应用中面临成本和加工难度的挑战。此外，低维碳超结构在电磁吸收领域的研究相对较少，亟需进一步探索。

碳材料中的一维（1D）石墨化碳纳米管（GCNs）因其特殊的各向异性而被认为在电磁吸收方面具有重要作用。这种各向异性使得GCNs在电荷传输过程中具有更高的导电损耗潜力。然而，根据传输线理论，GCNs的高导电性不利于电磁波的有效吸收，因为其与自由空间之间的阻抗不匹配可能导致大部分入射电磁波被反射，从而无法实现高反射损耗（RL）值。这意味着，在不增加材料厚度的情况下，GCNs难以表现出优异的电磁吸收性能。

为了解决这一问题，本研究提出了一种新的策略，即通过模板法合成一种特殊的低维碳超结构——二维（2D）纳米片堆叠的碳纳米管（SCTS）。该方法采用二氧化钼（MoO?）纳米棒作为模板，聚酰亚胺（PI）作为碳源，通过聚酰亚胺包覆、氨蚀刻和后续热处理等步骤，成功构建了具有周期性排列的2D纳米片表面的碳纳米管结构。在高温裂解过程中，2D纳米片的形成有效防止了碳纳米管的聚集，从而提高了材料的比表面积。实验结果表明，这种新型结构在电磁波吸收方面表现出色，其在2.0–18.0 GHz频率范围内实现了显著的电磁波吸收性能。具体而言，其最强反射损耗（RL）可达到66.0 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.5 GHz，而材料厚度仅为1.5 mm，填料负载量仅为10 wt%。这些性能指标明显优于目前报道的许多结构化碳材料。

本研究的创新点在于，通过引入周期性排列的2D纳米片，不仅改善了碳纳米管的阻抗匹配特性，还增强了其电磁损耗能力。2D纳米片的形成带来了丰富的异质界面，有助于实现更多的界面极化损耗，同时，由于其结构特性，还能促进电磁波的多重反射，从而提高能量损耗效率。此外，该结构在不增加材料厚度的前提下，实现了更高的电磁吸收性能，显示出在实际应用中的巨大潜力。

本研究的成果为低维碳超结构的构建提供了新的思路，同时也为设计具有优异电磁功能的纯碳复合材料提供了理论支持。未来的研究可以进一步探索不同模板和碳源对最终材料性能的影响，以及如何通过优化结构设计和工艺参数，实现更广泛的电磁波吸收频段和更高的吸收效率。此外，研究者还可以关注材料的长期稳定性和环境适应性，以推动其在实际应用中的可行性。总之，本研究不仅在理论层面拓展了碳材料在电磁吸收领域的研究范围，也在实践层面为开发高性能电磁吸收材料提供了新的方向。