近年來(lái)，隨著先進(jìn)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，高性能微波吸收材料由于在民用的隱身技術(shù)領(lǐng)域和軍事武器應(yīng)用越來(lái)越多，因此受到廣泛關(guān)注。理想的吸波材料應(yīng)具有強(qiáng)吸收性、寬吸收帶、低密度和薄厚度。然而，傳統(tǒng)的吸波材料（磁性金屬及其合金或氧化物）具有高密度和較厚涂層的缺點(diǎn)。目前，在薄厚度下具有優(yōu)異吸收性能的輕質(zhì)吸波材料的設(shè)計(jì)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(gè)原子層組成，即夾在兩個(gè)S層之間的金屬M(fèi)o層。這三層通過(guò)范德華相互作用堆疊并保持在一起，這種結(jié)構(gòu)類似于石墨。由于其特殊的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性，MoS2已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，包括納米電子學(xué)、電催化、能量存儲(chǔ)設(shè)備等。由于Mo原子之間的二維（2D）電子-電子相關(guān)性將有助于增強(qiáng)平面電磁波傳輸性能，因此MoS2有望充當(dāng)出色的吸波功能材料，但純MoS2的吸波性能差，研究發(fā)現(xiàn)其與碳材料混合可以實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的電磁波吸收，但涂層厚度太大一直是個(gè)問(wèn)題。
針對(duì)上述問(wèn)題，四川大學(xué)王玉忠課題組報(bào)道了一種輕質(zhì)C摻雜MoS2氣凝膠的設(shè)計(jì)和制備方法，該氣凝膠具有特殊的香蕉葉狀微結(jié)構(gòu)，有優(yōu)異的吸波性能。氣凝膠前驅(qū)體首先通過(guò)海藻酸（Alg）和硫代鉬酸銨（ATM）之間的自組裝過(guò)程制備，其中Alg作為模板與ATM一起在定向冷凍過(guò)程中沿著冰的生長(zhǎng)方向組裝成規(guī)則的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。在900°C下熱解后，摻C的MoS2氣凝膠保持低密度和多孔的層狀香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。摻C的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內(nèi)具有出色的微波吸收性能。最小反射損耗（RL）在5.4 GHz時(shí)達(dá)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(shí)達(dá)到4 GHz（14-18 GHz）。這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于電子設(shè)備、催化和其他潛在應(yīng)用的MoS2氣凝膠納米結(jié)構(gòu)提供了借鑒。相關(guān)工作以“Banana Leaflike C-Doped MoS2 Aerogels toward Excellent Microwave Absorption Performance”為題發(fā)表在著名期刊《ACS Appl. Mater.Interfaces》上。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.0c01841
在C摻雜的MoS2-0.5氣凝膠中存在一些針狀結(jié)構(gòu)，這可能是由于少量的Alg無(wú)法將所有ATM連接成香蕉葉狀結(jié)構(gòu)所致。當(dāng)Alg含量增加時(shí)，越來(lái)越多的ATM連接在一起并聚集成團(tuán)，而葉子變得越來(lái)越厚。摻雜C-MOS2-1.5氣凝膠，針狀結(jié)構(gòu)消失，小葉片組裝成香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。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(xì)膩?？梢郧宄赜^察到氣凝膠的分層微觀結(jié)構(gòu)，會(huì)增加多重反射，這對(duì)于微波吸收是有利的。
當(dāng)混合Alg溶液和ATM溶液時(shí)，Alg中的-COO–和ATM中的-S––Mo–S –可以通過(guò)NH4 +連接，而Alg中的-OH和-S––Mo–S –可以連接。在ATM中可能會(huì)形成氫鍵。在定向冷凍期間，Alg/ATM可以沿著冰晶生長(zhǎng)的方向組裝成規(guī)則的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)。取出冰模板并停止熱解后，保留了定向的Alg/ATM。
由于納米MoS2粉末的介電常數(shù)低，因此在整個(gè)測(cè)試頻率范圍內(nèi)顯示出非常低的RL值。純碳?xì)饽z的RL也較低，這歸因于其阻抗匹配差。有趣的是，納米MoS2/碳?xì)饽z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(shù)的碳?xì)饽z和低介電常數(shù)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(guò)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(nèi)可以吸收超過(guò)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）。隨著涂層厚度的增加，由于四分之一波長(zhǎng)衰減的形成需要樣品厚度和頻率滿足相位匹配這一事實(shí)，最小RL趨向于移至較低頻率。
該材料的吸波機(jī)理為：首先，氣凝膠的良好阻抗匹配可以減少表面反射，并使大多數(shù)電磁波進(jìn)入吸收材料內(nèi)部，這是強(qiáng)吸收微波的前提。其次，香蕉葉狀結(jié)構(gòu)中的摻雜碳使氣凝膠具有適度的導(dǎo)電性。當(dāng)微波進(jìn)入氣凝膠-石蠟復(fù)合材料時(shí)，電磁能可以使與空氣接觸的電子移動(dòng)，沿著相連的香蕉葉狀結(jié)構(gòu)形成快速的電子遷移路徑，然后移動(dòng)到整個(gè)基底，并形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。第三，由于碳和MoS2基體之間的電導(dǎo)率不同，許多偶極對(duì)在它們的界面處積聚，從而產(chǎn)生界面極化。此外，香蕉葉的分層結(jié)構(gòu)可以提供大量的多個(gè)反射和散射位點(diǎn)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了微波衰減。氣凝膠中的缺陷也可能導(dǎo)致缺陷極化，含氧基團(tuán)和不完善的碳結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偶極極化。因此，電導(dǎo)損耗和極化損耗可以有效地將入射微波轉(zhuǎn)換為熱能并使其消散。
通過(guò)Alg和ATM之間的自組裝過(guò)程，制造了具有規(guī)則香蕉葉狀微結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)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?fù)诫s在具有獨(dú)特層次結(jié)構(gòu)的結(jié)晶MoS2氣凝膠基質(zhì)中。香蕉葉狀碳摻雜的MoS2氣凝膠在2-18 GHz的頻率范圍內(nèi)具有優(yōu)異的吸波性能，界面極化可以有效地將入射的微波能量轉(zhuǎn)換為熱能并消散微波。含30 wt% C摻雜MoS2-1.5氣凝膠，厚度為4 mm，有效吸波帶寬達(dá)到4 GHz，厚度僅為1.5 mm，RL最低值為-44.3 dB，優(yōu)于其他MoS2基材料。這種具有分層香蕉葉狀結(jié)構(gòu)的氣凝膠的吸波機(jī)制主要來(lái)自適度的電導(dǎo)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(lái)方向。這種摻有碳的MoS2氣凝膠結(jié)合了多孔的特殊規(guī)則微結(jié)構(gòu)，也有望用于電子、電化學(xué)、催化等其他應(yīng)用。此外，這項(xiàng)研究為高密度高效微波吸收材料的設(shè)計(jì)制備提供了新方法。
