《Applied Materials Today》：Biomass carbon-MXene based SiBCOFe ceramic aerogels with tailored interfacial polarization and impedance matching
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•二维MXene与生物炭纤维协同作用，构建出多孔的3D导电网络。•陶瓷气凝胶具有优异的微波吸收能力，并兼具结构稳定性。•实现了介电损耗、磁损耗、极化以及多重折射和散射的协同衰减机制。•在2.9毫米的厚度下，实现了-60.1 dB的超强反射损耗。引言随着包括5G和6G在内的新一代无
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二维MXene与生物炭纤维协同作用，构建出多孔的3D导电网络。
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陶瓷气凝胶具有优异的微波吸收能力，并兼具结构稳定性。
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实现了介电损耗、磁损耗、极化以及多重折射和散射的协同衰减机制。
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在2.9毫米的厚度下，实现了-60.1 dB的超强反射损耗。
引言
随着包括5G和6G在内的新一代无线通信技术的迅速发展，电磁波在无线通信、雷达探测和卫星遥感等多个领域得到了越来越广泛的应用。与此同时，与电磁干扰和污染相关的问题也变得更加突出。为了解决这些问题，高性能电磁波吸收（EWA）材料的研究成为了一个重要的研究方向[1]、[2]、[3]。此外，在航空航天和现代军事应用中，材料不仅需要具备优异的电磁波吸收能力，还需要满足轻量化、结构稳定性、抗腐蚀性和抗氧化性等综合要求，以适应复杂多变的外部环境[4]、[5]。
陶瓷气凝胶具有低密度、高温稳定性和出色的结构完整性等优点，使其成为开发高性能电磁波吸收材料的理想候选材料[6]。然而，基于陶瓷的吸收剂由于介电常数较低和介电耗散能力较弱，在调节介电损耗方面存在固有的局限性[7]。介电损耗是电磁波衰减的基本机制，对于能量耗散过程至关重要。为了解决这些挑战，研究人员提出了将导电相与陶瓷基体结合的混合系统。MXenes是一类由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维材料，其厚度仅为几个原子层。这些材料是通过选择性蚀刻A层制备得到的二维结构[8]、[9]。其中，Ti3C2Tx MXene因其较大的比表面积和优异的电导率而在电磁波吸收领域受到了广泛关注，这有助于实现有效的介电损耗。然而，单一组分的MXene气凝胶往往机械强度不足且阻抗匹配不佳，限制了其在大规模应用中的使用。因此，将陶瓷气凝胶与MXene结合有望克服这些缺点并提升电磁波吸收性能[10]、[11]、[12]。例如，Yang等人报道了通过冷冻干燥法制备的SiCTi/MXene陶瓷气凝胶，其中SiCTi陶瓷作为主要基体，SiC和MXene作为增强相。这种复合材料表现出优异的电磁波吸收性能，这归功于气凝胶的独特结构设计和MXene带来的介电损耗提升[13]。不过，该研究主要关注单一的衰减机制，缺乏协同效应。相比之下，Han等人开发了一种三明治结构复合材料，使用再生纤维素作为基体，Ti3C2Tx和Fe3O4纳米颗粒作为功能性填料。磁性颗粒的加入不仅改善了材料的阻抗匹配特性，还增强了磁损耗与介电损耗之间的协同作用[14]。
在本研究中，通过定向冷冻和高温热解技术成功合成了三维各向异性的BM/SiBCOFe陶瓷气凝胶。生物炭和MXene形成的导电网络，加上Fe元素的引入，使得该材料具备了介电损耗和磁损耗的双重能力，从而通过电磁协同效应提高了陶瓷气凝胶的电磁波吸收效率。此外，蜂窝状的多孔结构不仅延长了电磁波的传播路径，还实现了有效介电常数的调节，优化了阻抗匹配。垂直排列的单向孔结构引导电磁波沿孔隙轴传播，有效抑制了表面反射。在传导损耗、界面极化、偶极极化和涡流损耗等多种损耗机制的协同作用下，BM/SiBCOFe陶瓷气凝胶表现出优异的电磁波吸收性能。
章节摘录
材料
MAX前驱体（Ti3AlC2，≥99.99%，400目）粉末、氟化锂（LiF）和盐酸（HCl）由中国上海的Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.提供。细菌纤维素（BC，含量：0.8%，长度：>20 μm）来自中国广西的Qihong Technology Co., Ltd.。无水三氯化铁（FeCl3）、乙烯基三甲氧硅烷（VTMS）和二甲基二乙氧硅烷（DMDES）、硼酸（H3BO3）由中国上海的Aladdin Reagent Co., Ltd.购买。所有试剂
BM/SiBCOFe陶瓷气凝胶的微观结构和组成
SiBCOFe陶瓷前驱体的完整合成过程如图1a所示。首先，DMDES和VTMS发生水解反应后缩合，形成Si–O–Si键，构建了基本的硅氧烷骨架结构。随后引入硼源，并持续搅拌混合物。在此阶段，硼原子与硅氧烷骨架上未反应的Si–OH基团形成了稳定的Si-O-B共价键
结论
本研究利用分子自组装和定向冷冻技术将生物质碳（BC）和MXene整合到三维多孔框架中，制备出了BC/MXene（BM）基体。随后将其与SiBCOFe陶瓷前驱体结合，通过高温热解过程制备出了具有优异微波吸收性能和增强热稳定性的SiBCOFe陶瓷气凝胶。
CRediT作者贡献声明
Guangdong Zhao：撰写、审稿及编辑、监督、资源整理。Jiawei Qi：可视化处理、监督。Chenyang Zhang：实验研究、数据管理。Xinrui Wang：数据分析。Liying Pan：方法设计、实验研究。Xueyue Lyu：初稿撰写、实验研究、数据管理。Qiu Zhang：可视化处理。
利益冲突声明
作者声明他们没有任何已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
Xueyue Lyu|Liying Pan|Qiu Zhang|Xinrui Wang|Chenyang Zhang|Jiawei Qi|Guangdong Zhao
