優異的吸波性能!具有特殊香蕉葉狀微結構的氣凝膠

近年來,隨著先進檢測技術的發展,高性能微波吸收材料由於在民用的隱身技術領域和軍事武器應用越來越多,因此受到廣泛關註。理想的吸波材料應具有強吸收性、寬吸收帶、低密度和薄厚度。然而,傳統的吸波材料(磁性金屬及其合金或氧化物)具有高密度和較厚塗層的缺點。目前,在薄厚度下具有優異吸收性能的輕質吸波材料的設計與制造已成為吸波材料最重要的研究方向之一。

二硫化鉬(MoS2)由三個原子層組成,即夾在兩個S層之間的金屬Mo層。這三層通過范德華相互作用堆疊並保持在一起,這種結構類似於石墨。由於其特殊的結構和化學特性,MoS2已廣泛應用於許多領域,包括納米電子學、電催化、能量存儲設備等。由於Mo原子之間的二維(2D)電子-電子相關性將有助於增強平面電磁波傳輸性能,因此MoS2有望充當出色的吸波功能材料,但純MoS2的吸波性能差,研究發現其與碳材料混合可以實現較強的電磁波吸收,但塗層厚度太大一直是個問題。

針對上述問題,四川大學王玉忠課題組報道瞭一種輕質C摻雜MoS2氣凝膠的設計和制備方法,香蕉葉狀微結構,有優異的吸波性能。氣凝膠前驅體首先通過海藻酸(Alg)和硫代鉬酸銨(ATM)之間的自組裝過程制備,其中Alg作為模板與ATM一起在定向冷凍過程中沿著冰的生長方向組裝成規則的香蕉葉狀結構。在900°C下熱解後,摻C的MoS2氣凝膠保持低密度和多孔的層狀香蕉葉狀結構。摻C的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內具有出色的微波吸收性能。最小反射損耗(RL)在5.4 GHz時達到-43 dB,匹配厚度為4 mm,有效微波吸收帶(RL <10 dB)在1.5 mm時達到4 GHz(14-18 GHz)。這項工作為設計用於電子設備、催化和其他潛在應用的MoS2氣凝膠納米結構提供瞭借鑒。相關工作以“Banana Leaflike C-Doped MoS2 Aerogels toward Excellent Microwave Absorption Performance”為題發表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。

論文鏈接:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01841

737d7fe5j00qbpds70012c000u0008zc

在C摻雜的MoS2-0.5氣凝膠中存在一些針狀結構,這可能是由於少量的Alg無法將所有ATM連接成香蕉葉狀結構所致。當Alg含量增加時,越來越多的ATM連接在一起並聚集成團,而葉子變得越來越厚。摻雜C-MOS2-1.5氣凝膠,針狀結構消失,小葉片組裝成香蕉葉狀結構。隨著Alg含量的增加,氣凝膠的葉子之間的間隙增加,而葉子變得更加細膩。可以清楚地觀察到氣凝膠的分層微觀結構,會增加多重反射,這對於微波吸收是有利的。

圖1. SEM圖(a)Alg氣凝膠,(b)ATM氣凝膠,(c)Alg/ATM氣凝膠,(d)C摻雜MoS2-0.5氣凝膠,(e)C摻雜MoS2-1氣凝膠的SEM圖像(f)C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠
圖1. SEM圖(a)Alg氣凝膠,(b)ATM氣凝膠,(c)Alg/ATM氣凝膠,(d)C摻雜MoS2-0.5氣凝膠,(e)C摻雜MoS2-1氣凝膠的SEM圖像(f)C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠

當混合Alg溶液和ATM溶液時,Alg中的-COO–和ATM中的-S––Mo–S –可以通過NH4 +連接,而Alg中的-OH和-S––Mo–S –可以連接。在ATM中可能會形成氫鍵。在定向冷凍期間,Alg/ATM可以沿著冰晶生長的方向組裝成規則的香蕉葉狀結構。取出冰模板並停止熱解後,保留瞭定向的Alg/ATM。

圖2. C摻雜的MoS2氣凝膠的香蕉葉狀形態形成過程的示意圖
圖2. C摻雜的MoS2氣凝膠的香蕉葉狀形態形成過程的示意圖

由於納米MoS2粉末的介電常數低,因此在整個測試頻率范圍內顯示出非常低的RL值。純碳氣凝膠的RL也較低,這歸因於其阻抗匹配差。有趣的是,納米MoS2/碳氣凝膠混合物仍顯示出弱吸收性,最小RL為-11 dB,表明僅將高介電常數的碳氣凝膠和低介電常數的納米MoS2混合不能改善微波吸收性能。相比之下,摻C的MoS2-1.5氣凝膠在1.5–4 mm的厚度下顯示出出色的微波吸收性能。通過改變C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠樣品的厚度,在4.5–18 GHz的頻率范圍內可以吸收超過90%的微波能量。在5.4 GHz處觀察到的最小RL為-44.3 dB,厚度為4 mm,而有效吸收帶寬在1.5 mm處的厚度約為4 GHz(14-18 GHz)。隨著塗層厚度的增加,由於四分之一波長衰減的形成需要樣品厚度和頻率滿足相位匹配這一事實,最小RL趨向於移至較低頻率。

圖3.(a)Alg氣凝膠的碳氣凝膠,(b)納米MoS2粉末,(c)納米MoS2 /碳氣凝膠混合物和(d)C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠的RL曲線,在2-18 GHz的頻率范圍
圖3.(a)Alg氣凝膠的碳氣凝膠,(b)納米MoS2粉末,(c)納米MoS2 /碳氣凝膠混合物和(d)C摻雜的MoS2-1.5氣凝膠的RL曲線,在2-18 GHz的頻率范圍

該材料的吸波機理為:首先,氣凝膠的良好阻抗匹配可以減少表面反射,並使大多數電磁波進入吸收材料內部,這是強吸收微波的前提。其次,香蕉葉狀結構中的摻雜碳使氣凝膠具有適度的導電性。當微波進入氣凝膠-石蠟復合材料時,電磁能可以使與空氣接觸的電子移動,沿著相連的香蕉葉狀結構形成快速的電子遷移路徑,然後移動到整個基底,並形成導電網絡。第三,由於碳和MoS2基體之間的電導率不同,許多偶極對在它們的界面處積聚,從而產生界面極化。此外,香蕉葉的分層結構可以提供大量的多個反射和散射位點,從而進一步增強瞭微波衰減。氣凝膠中的缺陷也可能導致缺陷極化,含氧基團和不完善的碳結構會產生偶極極化。因此,電導損耗和極化損耗可以有效地將入射微波轉換為熱能並使其消散。

圖4 吸波機理示意圖
圖4 吸波機理示意圖

通過Alg和ATM之間的自組裝過程,制造瞭具有規則香蕉葉狀微結構的輕質C摻雜MoS2氣凝膠。在所得的C摻雜的MoS2氣凝膠中,具有可控量的石墨化碳均勻地摻雜在具有獨特層次結構的結晶MoS2氣凝膠基質中。香蕉葉狀碳摻雜的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內具有優異的吸波性能,界面極化可以有效地將入射的微波能量轉換為熱能並消散微波。含30 wt% C摻雜MoS2-1.5氣凝膠,厚度為4 mm,有效吸波帶寬達到4 GHz,厚度僅為1.5 mm,RL最低值為-44.3 dB,優於其他MoS2基材料。這種具有分層香蕉葉狀結構的氣凝膠的吸波機制主要來自適度的電導損耗、界面極化損耗、多次反射和良好的阻抗匹配。低密度、耐高溫和耐腐蝕的寬帶吸收材料是吸波材料的未來方向。這種摻有碳的MoS2氣凝膠結合瞭多孔的特殊規則微結構,也有望用於電子、電化學、催化等其他應用。此外,這項研究為高密度高效微波吸收材料的設計制備提供瞭新方法。

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