水诱导的琼脂自组装过程，在NaCl作为牺牲性晶体的支撑下形成异质结构碳气凝胶，用于实现轻量化及宽频段的电磁波吸收

《Carbohydrate Polymers》：Water-induced self-assembly of agar with NaCl sacrificial crystalline support toward heterostructure carbon aerogels for lightweight and broadband electromagnetic wave absorption

本研究提出了一种基于NaCl牺牲模板的水诱导自组装策略，制备了具有多级孔结构和导电网络的多孔碳材料（AAPC）。实验表明，在低填充率（2%）和密度（11.08 mg/cm3）下，AAPC4–700在2.55 mm厚度时实现了7.68 GHz的宽频带电磁波吸收，最小反射损耗达-50.0 dB，并具有优异的热绝缘和阻燃性能。该研究为轻质宽带电磁波吸收材料的设计提供了新途径。

　　碳基材料因其丰富的来源、高度可调的介电常数以及易于控制的微观结构，被认为是电磁波（EMW）吸收材料中最为重要的类别之一。然而，这类材料在实际应用中仍然面临有效吸收带宽（EAB）较窄的挑战。为了克服这一局限，本研究提出了一种水诱导自组装策略，利用NaCl作为牺牲性晶体模板，构建出具有分层多孔结构、异原子掺杂以及导电网络的Agar衍生多孔碳（AAPC），从而实现轻质且宽频带的电磁波吸收性能。实验结果显示，在低密度（11.08?mg/cm3）和低填充比（2?%）的条件下，AAPC4–700样品在2.55?mm厚度下实现了7.68?GHz的EAB，其最小反射损耗（RLmin）达到?50.0?dB。此外，AAPC还表现出优异的热绝缘性和阻燃性能，使其在极端环境下具有广阔的应用前景。本研究不仅揭示了AAPC的电磁波耗散机制，也为设计轻质宽频带电磁波吸收材料提供了新的思路。

近年来，随着通信技术的飞速发展，电磁波污染问题日益严重，给人们的健康带来了潜在的风险。因此，电磁波吸收材料的研究受到了广泛关注。目前，研究主要集中在碳基材料、铁氧体、导电聚合物、MXenes以及金属有机框架（MOFs）等领域。其中，碳基材料因其资源丰富、轻质、稳定的物理化学性质、可调的介电常数以及可控的表面微观结构而备受青睐。然而，作为电磁波吸收材料，碳基材料往往面临吸收带宽较窄的问题，因为其高电导率会阻碍阻抗匹配，从而限制了其实际应用。为了提高碳基材料的吸收带宽和反射损耗，研究人员已经探索了多种策略，包括调控表面形貌、优化损耗机制以及构建导电网络结构等。

例如，有研究通过模板法制造了具有分层花状结构的磁性碳纳米花（CoNi@CNFs），其最小反射损耗达到了?57.6?dB，有效吸收带宽为5.6?GHz。这种花状结构不仅提供了较大的表面积和内部空间，还具有丰富的异原子含量和多尺度的孔隙系统，同时磁性纳米颗粒的高分散性也增强了材料的极化损耗。另一项研究通过自组装方法制备了磁性石墨烯复合气凝胶，其结构中包含多孔空心Ni/C微球和石墨烯氧化物，这种材料具有多孔结构、大量缺陷以及多样化的异质界面，从而显著提升了材料在电磁波作用下的界面极化和偶极极化损耗。当厚度为2.5?mm时，该复合材料的有效吸收带宽达到了6.72?GHz，最小反射损耗为?51.3?dB。还有研究通过水热法制备了轻质的空心玻璃微球（HGM）/石墨烯复合气凝胶，其在1.9?mm厚度下表现出?61.8?dB的最小反射损耗和5.8?GHz的有效吸收带宽。这些研究充分表明，通过合理的结构设计，可以显著提升碳基材料的电磁波吸收性能。

尽管上述研究取得了一定的进展，但现有的碳基材料仍然存在一些挑战。首先，宽频带吸收通常需要较高的填料负载量，这不仅增加了材料的重量，还可能降低其在实际应用中的可行性。其次，狭窄的孔隙分布和有限的分层结构限制了导电损耗、极化损耗和散射损耗之间的协同效应。此外，复杂的复合或掺杂策略往往会影响材料的可重复性和可扩展性，使得大规模生产变得困难。因此，寻找一种简单、高效且可重复的方法来构建具有优异电磁波吸收性能的碳基材料，成为当前研究的重要方向。

基于上述问题，本研究提出了一种新的策略，即利用Agar作为可持续的碳前驱体，通过水诱导自组装方法，并结合NaCl晶体模板的指导作用，构建出具有分层多孔结构和异原子掺杂的碳气凝胶网络。这种方法不仅能够有效提升材料的电磁波吸收性能，还能够在较低的填充比下实现宽频带吸收，从而满足轻质材料的需求。Agar是一种线性中性多糖，主要由β-葡萄糖苷和α-葡萄糖苷单元组成，其在高温下会形成随机的刚性弯曲构型，而在冷却过程中，这些弯曲的链会有序地形成螺旋结构。这一特性使得Agar在制备过程中能够形成具有高度有序性的多孔结构，而NaCl晶体则作为内部支撑模板，确保了在碳化过程中不会发生塌陷或收缩，从而保持了多孔结构的完整性。

为了实现这一目标，本研究采用了水作为溶剂，Agar作为前驱体，NaCl作为内部支撑模板，通过冷冻干燥和高温碳化的方法制备了AAPC。在这一过程中，均匀分散的Agar在水中提供了丰富的氧原子和导电网络，而NaCl晶体则赋予了AAPC独特的分层多孔结构。通过系统地研究NaCl含量和碳化温度对AAPC孔隙分布和电磁波吸收性能的影响，研究人员能够有效调控材料的结构和性能。在实验中，采用了一种创新的“整体铸造柱”测试方法，这种方法能够在最大程度上保留分层多孔网络的完整性，同时显著降低填充比，使得材料在低填充比下依然表现出优异的电磁波吸收性能。

实验结果显示，所有AAPC样品即使在低填充比（2?%）下也表现出出色的电磁波吸收性能。其中，AAPC4–700样品在厚度为2.55?mm时，实现了7.68?GHz的有效吸收带宽和?50.0?dB的最小反射损耗。这一性能不仅优于许多现有的碳基材料，还表明通过合理的结构设计，可以显著提升材料的电磁波吸收能力。此外，AAPC还表现出优异的热绝缘性和阻燃性能，使其在极端环境下的应用成为可能。这些特性使得AAPC在航空航天、军事防护、电子设备屏蔽以及高温环境下的电磁波防护等领域具有广阔的应用前景。

本研究的成功不仅验证了Agar作为碳前驱体在电磁波吸收领域的潜力，还展示了通过水诱导自组装和NaCl晶体模板构建分层多孔碳气凝胶网络的可行性。这种方法的优势在于其原料来源广泛、制备过程环保、结构调控灵活，并且能够在较低的填充比下实现宽频带吸收，从而满足轻质材料的需求。同时，这种策略也为其他类型的多孔材料设计提供了新的思路，有助于推动电磁波吸收材料向更高效、更环保的方向发展。

在材料制备方面，Agar和NaCl在水中的溶解过程是构建AAPC的关键步骤。通过加热和搅拌，Agar和NaCl能够均匀地分散在水中，形成稳定的水凝胶前驱体。随后，通过冷却，水凝胶逐渐固化，形成具有不同形状的Agar–NaCl水凝胶（AH）。这一过程不仅能够保留Agar的多孔结构，还能够通过NaCl晶体的模板作用，进一步优化孔隙的分布和结构。在碳化过程中，NaCl晶体作为支撑结构，能够防止气凝胶在高温下发生塌陷或收缩，从而保持其多孔网络的完整性。与此同时，Agar在高温下的分解过程能够生成碳结构，并引入异原子（如氮、硫等），这些异原子的掺杂能够有效增强材料的极化损耗，从而提升其电磁波吸收性能。

为了进一步验证AAPC的性能，研究人员对样品进行了系统的表征分析。通过场发射扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对样品的表面形貌和微观结构进行了详细观察，结果表明AAPC具有高度有序的分层多孔结构，孔隙分布均匀，且内部存在丰富的异质界面。这些结构特征为电磁波的多重损耗机制提供了理想的条件，包括导电损耗、界面极化损耗、偶极极化损耗以及散射损耗。此外，热重分析（TGA）结果表明AAPC在氮气气氛下具有良好的热稳定性，其热分解温度范围在20至800?°C之间，表明材料在高温环境下仍能保持其结构和性能的稳定性。这一特性使得AAPC在高温应用领域也具有重要意义。

在电磁波吸收性能方面，AAPC表现出优异的特性。通过调整NaCl的含量和碳化温度，研究人员能够有效调控材料的孔隙结构和电磁波吸收性能。例如，增加NaCl的含量可以进一步优化孔隙的分布，提高材料的比表面积，从而增强其电磁波吸收能力。而不同的碳化温度则会影响碳结构的形成，进而影响材料的导电性和极化损耗。通过实验，研究人员发现AAPC在低填充比下依然能够实现宽频带吸收，这表明其具有良好的可扩展性和应用前景。此外，实验还采用了“整体铸造柱”测试方法，这种方法能够在最大程度上保留多孔结构的完整性，同时减少填充比对测试结果的影响，从而更准确地评估材料的实际性能。

从应用角度来看，AAPC的优异性能使其在多个领域具有广泛的应用潜力。首先，其轻质特性使得它在需要减少重量的领域，如航空航天和便携式电子设备中具有重要价值。其次，宽频带吸收能力使其能够有效应对不同频率范围内的电磁波污染，适用于各种通信设备的电磁屏蔽。此外，AAPC的热绝缘性和阻燃性能使其在高温和危险环境中也能发挥重要作用，如消防防护装备和高温工业设备的电磁波防护。这些特性使得AAPC不仅在实验室研究中表现出色，也具备实际应用的可行性。

从材料科学的角度来看，本研究的创新之处在于提出了利用Agar和NaCl晶体模板构建分层多孔碳气凝胶网络的新方法。这一方法不仅能够有效解决碳基材料吸收带宽窄的问题，还能够通过调控孔隙结构和异原子掺杂，实现对电磁波吸收性能的优化。同时，这种方法的原料来源广泛、制备过程环保，具有良好的可重复性和可扩展性，为大规模生产和实际应用提供了可能。此外，AAPC的结构设计使其能够同时满足多种功能需求，如电磁波吸收、热绝缘和阻燃性能，这在传统材料中较为罕见，因此具有重要的研究价值。

综上所述，本研究通过水诱导自组装和NaCl晶体模板的方法，成功制备了具有分层多孔结构和异原子掺杂的Agar衍生多孔碳（AAPC）。这种材料不仅在低填充比下表现出优异的电磁波吸收性能，还具备良好的热稳定性和阻燃性，拓展了其在极端环境下的应用前景。本研究的成果为设计高效、轻质的电磁波吸收材料提供了新的思路，也为未来在环境友好型材料开发方面开辟了新的研究方向。此外，AAPC的结构设计和性能调控方法也为其他类型的多孔材料研究提供了借鉴，有助于推动材料科学在电磁波吸收领域的进一步发展。