石墨烯气凝胶制备新方法 体积零收缩、密度可精确调控

一、研究背景

根据目前各国研究，5G技术相比目前4G技术，其峰值速率将增长数十倍，从4G的100Mb/s***到几十Gb/s。也就是说，1秒钟可以下载10余部高清电影，可支持的用户连接数增长到100万用户/平方公里，可以更好地***物联网这样的海量接入场景。同时，端到端延时将从4G的十几毫秒减少到5G的几毫秒。有没有被5G的传输速率所震惊到呢？我们知道，通信就是靠的电磁波，5G简单来说，就是频率特别高的电磁波，5G比4G的频率高10倍，频谱也更宽，所以能同时传输更多信息，到我们用户这边的感受就是网速“贼快”。

电磁波在***人们生活需要的同时，由于电磁辐射也会造成电磁污染、电磁干扰、泄密等棘手问题，妨碍了电子信息工业的稳定发展。电磁波污染在继噪音污染、水污染、空气污染之后，成为威胁人类生存的第四大公害，不仅对人们日常通信设备、计算机和其它电子系统造成严重干扰，对信息***造成严重威胁，而且给人体健康带来不可估量的损害，可以说让人“又爱又恨”。

5G技术运用的电磁波频段通常在K波段以及更高频段，实现数据的***高速传输，为减少电磁辐射污染，开发制备高频下高性能吸波材料有着重要意义。理想的吸波材料通常具有低反射损耗、宽吸收频带、轻质、密度小等优点，但往往难以做到面面俱到。石墨烯气凝胶近年来被发现在电磁波吸收应用方向很有前景，但仍存在阻抗匹配差而导致吸波性能不理想的问题，其中一个主要障碍是在凝胶化过程中体积的大幅收缩，造成密度不可控，也会引起石墨烯发生断裂等问题。因此，如何实现石墨烯气凝胶的密度可控成为了难点。

二、研究成果

近日，东华大学范宇驰、王连军团队报道了一种以乙醇为溶剂，3-氨丙基三乙氧基硅烷为表面改性剂同时也作为交联剂的石墨烯气凝胶制备新方法，避免了传统方法制备石墨烯气凝胶出现的体积收缩问题，并实现密度的***调控，吸波性能可以通过调节氧化石墨烯浓度来进行调控，在K波段，厚度仅为1.14 mm时，反射损耗达到-50.3 dB，此外，引入磁性核壳结构Fe3O4@C后，可以进一步提升吸波性能，Fe3O4@C/GA***低反射损耗为-54 dB，厚度仅为0.99mm，实现了密度可控，轻质，强吸收的优点。相关工作以“Ultrathin and Lightweight Graphene Aerogel with Precisely Tunable Density for Highly Efficient Microwave Absorbing”为题发表在国际***期刊 《ACS Applied Materials & Interfaces》上。
 
三、图文速递
 
图1 比较APTES的加入对气凝胶体积收缩的影响以及形貌图
可以看出，传统的水热或溶剂热法制备的石墨烯气凝胶通常会出现明显的体积收缩，而作者采用在溶剂热反应之前加入APTES为改性剂的处理工艺，实现体积零收缩，因此可以通过调节***初加入的氧化石墨烯浓度来调控石墨烯气凝胶的孔径和密度，扫描电镜图可以看出，石墨烯片层并未出现团聚和严重的再堆积。
 
图2 相关结构表征


图3 Fe3O4@C以及Fe3O4@C/GA50气凝胶形貌图
通过原位聚合和碳化处理得到Fe3O4@C微球，并将其与氧化石墨烯混合制备Fe3O4@C/GA气凝胶。
 
图4 吸波性能测试
研究人员对密度可控的石墨烯气凝胶GA以及Fe3O4@C/GA杂化气凝胶在K波段下进行了吸波性能测试，当石墨烯气凝胶的密度降低至4.5 mg·cm-3时，***低反射损耗在频率为24.29 GHz时达到-50.3 dB，厚度仅为1.14 mm。引入Fe3O4@C后，Fe3O4@C/GA杂化气凝胶***优反射损耗达到-54 dB，厚度仅0.99 mm，吸波性能进一步提升。

研究人员随后对电磁波吸收机理进行了分析：该石墨烯气凝胶材料由于实现了密度可控，优化了阻抗匹配，在导电损耗、界面极化损耗、涡流损耗等协同作用下，吸波性能优异。
 
图5 电磁波吸收机理示意图
四、研究小结

总而言之，作者使用APTES为改性剂和交联剂，采用简单的溶剂热方法制备出石墨烯气凝胶材料，APTES的加入实现了溶剂热反应后的石墨烯气凝胶的体积零收缩，通过调节开始加入的氧化石墨烯浓度实现密度可控，阻抗匹配得以优化，在厚度仅为1.14mm时，***低反射损耗达到-50.3 dB，当引入磁性组分Fe3O4@C后，由于较强的界面极化损耗以及良好的阻抗匹配，介电损耗与磁损耗发挥协同作用，Fe3O4@C/GA杂化气凝胶***优反射损耗达到-54.0 dB，厚度仅0.99 mm，***吸收频带为6.5 GHz，吸波性能进一步提升。这种新颖的密度可控石墨烯气凝胶材料将为5G通信设备中先进吸波材料的设计制备提供借鉴。