《Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects》：Multi-scale Porous Bacterial Cellulose/MXene/Fe
3O
4 Aerogels via Click Chemistry for Ku-Band Electromagnetic Absorption and Thermal Insulation
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电磁波吸收材料研究：采用细菌纤维素（BC）为三维骨架，MXene为导电层，Fe3O4纳米颗粒通过点击化学连接构建BMF复合气凝胶。其多级孔结构协同电/磁损耗机制，实现11.91-17.89GHz（5.98GHz带宽）超低反射损耗（-52.8dB），密度仅0.015g/cm3，热导率0.0293W·m?1·K?1，兼具高效吸波与轻质隔热特性，适用于精密电子设备及军事隐身防护。
Xueyue Lyu|Qiu Zhang|Liying Pan|Chenyang Zhang|Xinrui Wang|Jiawei Qi|Guangdong Zhao|Dongyu Zhao
黑龙江大学化学与材料科学学院，哈尔滨150080，中国
摘要
随着电子信息技术的快速发展，电磁波促进了信息传输，但同时也日益引起严重的电磁干扰，影响了电子设备的正常运行。因此，开发具有高效电磁波吸收特性的材料以减轻电磁污染具有重要的科学和实际意义。在这项研究中，创新性地应用了点击化学技术来制备复合气凝胶的界面结合。将导电的MXene纳米片嵌入细菌纤维素（BC）的三维网络结构中，然后通过硫醇-烯烃点击化学反应将Fe3O4纳米颗粒附着在基底表面，成功制备出了具有多尺度孔结构的BC/MXene/Fe3O4（BMF）复合气凝胶。该气凝胶表现出双重损耗机制，结合了电损耗和磁损耗，有效解决了阻抗不匹配的问题。此外，其分层的孔结构显著增强了电磁波在材料内部的多次反射和散射，延长了电磁波的传播路径，从而提高了能量耗散能力。实验结果表明，BMF复合气凝胶具有优异的电磁波吸收性能。其最小反射损耗为-52.80 dB，最大有效吸收带宽为5.98 GHz（11.91-17.89 GHz），吸收效率达到99.999%，能够覆盖大部分Ku频段（2-18 GHz）。此外，该气凝胶还具有轻质特性（密度为0.0150 g/cm3）和良好的隔热性能（热导率为0.0293 W·m-1·K-1）。BMF复合气凝胶的开发为精密电子设备的防护和国防工业应用提供了一种新的电磁屏蔽材料解决方案。
引言
随着电子技术的快速发展，电磁波作为信息传输的主要媒介，在现代通信系统、雷达探测应用和航空航天工程领域得到了广泛使用，成为这些高科技领域的基础支撑[1]、[2]、[3]。然而，电磁波的广泛应用导致了严重的电磁污染，对环境和人类健康构成了潜在风险。此外，这种污染还会干扰电子设备的正常运行，并削弱军事目标的隐身能力[4]、[5]。在军事领域，特别是在隐身雷达技术中，电磁波吸收（EMA）材料不仅需要具备高效的微波吸收能力以应对复杂的电磁环境，还需要具有轻质特性以减轻设备负担，并提供良好的隔热性能以适应室外温度变化。
为了减少不可再生资源的消耗，细菌纤维素（BC）和其他生物质材料因其低成本、可持续性、易于生产以及优异的机械性能而在电磁波吸收（EMA）领域受到了广泛关注[6]、[7]。在宏观层面上，BC具有自支撑能力和柔韧性。在微观层面上，它由纳米纤维交织形成的多孔网络结构构成。内部包含微米、纳米和亚纳米尺度的孔隙[8]、[9]、[10]、[11]。这种分层的孔结构不仅赋予了高比表面积和孔隙率，还促进了入射微波的多次反射，从而延长了电磁波的衰减路径并提高了微波吸收效率[12]、[13]。然而，BC本身的电绝缘性限制了其在EMA中的应用，因此需要加入导电填料来建立有效的电磁波衰减机制。最近，MXene作为一种有前途的导电填料出现在EMA材料中，因为它具有独特的二维层状结构、丰富的表面官能团（如-OH、-O、-F）和优异的导电性[14]、[15]、[16]。研究表明，MXene的高导电性在电磁波吸收和屏蔽应用中具有显著优势。例如，Zhu等人通过物理和化学交联策略将MXene纳米片与纤维素纳米纤维（CNF）结合，制备出了具有优异机械性能的PMXene/CNF复合吸波气凝胶。这种方法有效地将MXene的高导电性与CNF的机械支撑性能结合起来，为设计高性能电磁波吸收材料提供了一种新方法[16]。然而，MXene的高导电性会导致阻抗不匹配，从而限制了其在电磁波吸收领域的应用。将磁性纳米材料与MXene结合使用是提高材料性能的一种可行策略[17]。Li等人采用冷冻干燥和原位水热生长技术制备了BC/MXene@MoS2（BMS）复合气凝胶。这种方法不仅减少了MXene纳米片的团聚，还优化了阻抗匹配，使材料的最低反射损耗达到了-53.6 dB[18]。然而，磁性纳米颗粒本身机械强度较低，容易团聚，在基质中的分散性较差，界面结合力弱，这影响了复合材料的整体性能[19]、[20]。与物理吸附或静电自组装等传统方法相比，硫醇-烯烃点击化学具有优势，包括反应条件温和、效率高和适用范围广[21]、[22]、[23]。它通过硫醇和碳-碳双键之间的加成反应形成稳定的化学键，从而实现了纳米颗粒在基底表面的精确装载，有效改善了纳米颗粒的分散性和界面稳定性。
在这项研究中，利用BC作为三维支架，MXene和Fe3O4作为增强剂，通过点击化学技术和冷冻干燥技术成功制备出了具有多尺度孔结构的BMF复合气凝胶。通过硫醇-烯烃点击化学，实现了Fe3O4纳米颗粒在BC/MXene（BM）基底表面的均匀稳定附着，有效优化了复合气凝胶的阻抗匹配和电磁吸收性能。MXene的介电损耗和Fe3O4的磁损耗表现出协同效应，共同建立了高效的电磁协同损耗机制。此外，BMF复合气凝胶的多尺度孔结构促进了电磁波在材料内部的多次反射和散射，显著延长了电磁波的传播路径。凭借优越的多尺度孔结构和磁损耗与介电损耗的协同效应，BMF复合气凝胶展现了出色的微波吸收能力。这项工作证实了通过硫醇-烯烃点击化学制备多组分复合材料的可行性，为开发轻质高效电磁波吸收材料提供了一种新方法。
材料
材料
MAX前驱体（Ti3AlC2，≥99.99%，400目）粉末、氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）从Aladdin工业公司（中国上海）购买。细菌纤维素（BC，含量：0.8%，长度：>20 μm）从广西启鸿科技有限公司购买。三氧化二铁（Fe3O4，20-50 nm）、(3-巯基丙基)三乙氧基硅烷（MPTES）、乙烯基三甲氧基硅烷（VTMS）、叔丁醇和偶氮二异丁腈（AIBN）从Sigma-Aldrich购买。所有试剂均来自Sigma-Aldrich。
结构和形态分析
图1展示了BMF复合气凝胶的制备过程。在此过程中，通过使用HCl和LiF组成的混合酸溶液选择性蚀刻Ti3AlC2 MAX相中的Al层来合成Ti3C2Tx MXene。光谱分析结果如图S1所示，证实了MXene的成功合成。MXene表面富含官能团，这些官能团与BC表面的羟基形成了稳定的氢键连接网络。
结论
在这项研究中，利用BC作为三维支架，MXene和Fe3O4作为增强剂，通过点击化学技术和冷冻干燥技术成功制备了BMF复合气凝胶。所得BMF复合气凝胶表现出显著的性能，包括高孔隙率、大比表面积、低密度、高效的电磁波吸收和优异的隔热性能。结果表明，该气凝胶具有优异的阻抗匹配能力。
CRediT作者贡献声明
Xueyue Lyu：撰写——原始草稿，实验研究，数据管理。Qiu Zhang：实验研究，数据管理。Liying Pan：数据可视化。Chenyang Zhang：方法学研究，实验研究。Xinrui Wang：数据分析。Jiawei Qi：数据可视化，指导。Guangdong Zhao：撰写——审稿与编辑，指导，资源协调。Dongyu Zhao：撰写——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究未获得任何公共、商业或非营利部门的资助。
