壳聚糖衍生N掺杂磁性CoNi修饰碳气凝胶用宽带电磁波吸收和热绝缘

1成果简介

轻质、多功能、宽带宽且高效的电磁波吸收（EWA）材料的开发仍是当前面临的主要挑战。本文，陕西科技大学郭江 副教授、朱建锋 教授等在《Carbon》期刊发表名为“Lightweight N-Doped Carbon Aerogels Decorated with Magnetic CoNi Alloy Particles for Broadband Electromagnetic Wave Absorption and Thermal Insulation”的论文，研究提出通过定向冷冻及后续碳化工艺，成功制备了壳聚糖衍生的氮掺杂磁性CoNi修饰碳气凝胶。其构筑的定向多孔结构与CoNi修饰氮掺杂碳异质界面，通过调控极化、导电性和磁损耗实现阻抗匹配优化。该效果源于对石墨化程度及CoNi合金颗粒负载量的精确控制。同时，定向多孔框架结构有效改善了电磁波的多重反射与散射现象。

值得注意的是，所制备的CoNi合金颗粒修饰氮掺杂碳气凝胶（CsCN-2）在低密度（0.067 g/cm³）下展现出优异的有效吸收波段性能：12.80 GHz频率下最小反射损耗（RLmin）达-58.81 dB， 有效吸收带宽(EAB)可达6.96 GHz，厚度仅3.09 mm。当厚度减至2.85 mm时，最大EAB更扩展至7.52 GHz（覆盖10.48 GHz至18 GHz频段）。此外，CsCN-2碳气凝胶还展现出优异的CST模拟结果和卓越的隔热性能。本研究为设计兼具高性能EWA的多功能碳气凝胶提供了全新思路。

2图文导读

方案一、Schematic of fabrication of biomass chitosan-derived N-doped magnetic carbon aerogel.

图1、 SEM images of (a&a1) CsCN-1, (b&b1) CsCN-2, (c&c1) CsCN-3 and (d&d1) CsCN-4 carbon aerogel; (e-k) TEM images of CsCN-2 carbon aerogel.

图2、(a) XRD patterns of the CsCN carbon aerogels; (b) FT-IR of the Cs and CsCN carbon aerogels; (c) Raman spectra of the CsCN carbon aerogels; (d) Total XPS spectra, (e) C 1s, (f) N 1s, (g) O 1s, (h) Co 2p and (i) Ni 2p XPS spectra for CsCN-2 carbon aerogel; (j) The photograph, (k) N2 adsorption-desorption isotherms and (l) Magnetic hysteresis loops of CsCN-2 carbon aerogel.

图3. (a) ε', (b) ε", (c) tanδε, (d) μ', (e) μ" and (f) tanδμ for CsCN carbon aerogels in the frequency range of 2-18 GHz.

图4. 2D&3D Reflection loss maps of CsCN carbon aerogels. (a-c) CsCN-2, (d-f) CsCN-3 and (g-i) CsCN-4 in the frequency range of 2-18GHz with thickness of 1.0 to 5.0 mm, (j) Previous reports on the EWA performance of carbon aerogel materials.

图5. Cole-Cole semicircle curves of (a) CsCN-1, (b) CsCN-2, (c) CsCN-3 and (d) CsCN-4; (e) C0, (f) Z and (g) α curves of the samples as a function of frequency; Frequency dependence of tmfit and tmexp for (h) CsCN-2, (i) CsCN-3 and (j) CsCN-4 carbon aerogel.

图6. (a) Simulation model of RCS; (b) RCS values of PEC and samples at diverse angles, RCS simulation plots for (c) PEC, (d) CsCN-1, (e) CsCN-2, (f) CsCN-3 and (g) CsCN-4; (h) RCS reduction plots of CsCN-1, CsCN-2, CsCN-3 and CsCN-4 at specific angles

图7. Proposed mechanism of EWA in CsCN carbon aerogels.

图8. (a-b) Infrared thermography images of CsCN-2 carbon aerogel on a heated platform at 100 °C. (c) Curve of surface temperature of CsCN-2 carbon aerogel as a function of time. (d) Infrared thermography image of CsCN-2 carbon aerogel placed in the hand. (e-j) Photographs of the thermal insulating properties of the CsCN-2 carbon aerogel.

3小结

综上所述，通过定向冷冻与碳化工艺成功制备了壳聚糖衍生的N掺杂磁性碳气凝胶。通过调控碳化温度和CoNi负载量，成功实现了电磁参数的调控。CsCN-2碳气凝胶在12.80 GHz频率下展现出-58.81 dB的最小反射损耗（RLmin），对应6.96 GHz（3.09 mm）的最小等效吸收带宽（EAB）及7.52 GHz（2.85 mm）的最大等效吸收带宽（EABmax）。构筑的定向多孔框架增强了电磁波的传导损耗及多重反射散射效应。同时，碳化过程中碳气凝胶的氮掺杂和缺陷可诱导缺陷或偶极极化。CsCN-2碳气凝胶在所有入射角下均实现低于-10 dB·m²的RCS值，其中0°角处达到最佳RCS衰减值24.21 dB·m²。此外，该材料还展现出显著的隔热性能。本研究为设计轻质多功能高性能电磁波吸波材料提供了全新思路。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121168

来源：材料分析与应用