一、研究背景
在过去的十年中，微波吸收材料由于在医疗保健和电子器件保护中的广泛使用而受到广泛关注。随着5G时代的到来，迫切需要具有轻薄、宽吸收频带和强吸收性的微波吸收材料。由于微波吸收特性与复介电常数、复磁导率及其合适的阻抗匹配密切相关，因此单一介电材料或磁性材料很难获得所需的性能。大多数吸波材料同时具有介电和磁性特性，可以通过介电损耗和磁损耗有效吸收微波。
最近，三维（3D）结构纳米纤维由于其在能源和电子领域的巨大潜力而受到极大关注。与1D纳米纤维相比，3D纳米纤维显示出更大的比表面积和更丰富的界面，并且制造3D导电网络以诱发导电损耗更容易。特别是，具有垂直对齐的边缘平面的3D石墨烯纳米纤维具有大量的结构缺陷和强介电极化，这会增加时变电磁场中的微波吸收损耗。如果可以构建具有垂直对齐的石墨烯边缘平面的3D磁性纳米纤维，它可以同时展现3D纳米纤维的多种微波吸收机制和尺寸优势。因此，这种具有特殊结构的3D纳米纤维在低填料含量下显示出高效的微波吸收能力。然而，它仅可通过化学气相沉积（CVD）方法得到，通过一种简便的策略来制备具有垂直对齐的石墨烯边缘平面的3D磁性纳米纤维仍然是一个巨大的挑战。
二、研究成果
针对上述问题，近日，中北大学、四川大学和郑州大学等单位的研究人员通过自组装制备出具有分层核壳结构和垂直排列的石墨烯边缘平面的三维（3D）还原氧化石墨烯/镍（rGO/Ni）纳米纤维。电磁多功能镍链形成3D纳米纤维的骨架，而2D rGO纳米片包裹在1D Ni链上，通过静电自组装结合还原方法形成3D rGO/Ni纳米纤维。与原始的Ni链或rGO薄片相比，独特的垂直排列的石墨烯边缘平面使3D rGO/Ni纳米纤维具有更大的比表面积和3D纳米纤维之间的交错区域。分层的核-壳结构还提供了rGO和Ni链之间的丰富界面，赋予3D rGO/Ni纳米纤维有效的界面极化损耗。
结果表明，3D rGO/Ni纳米纤维表现出出色的微波吸收性能。在2 mm的厚度下，仅含15 wt％纳米纤维的最小反射损耗达到-50.52 dB，有效吸收带宽达到4.2 GHz。此外，由于3D rGO/Ni纳米纤维具有特殊的边缘平面结构，因此它们还具有出色的分散性。这项工作为设计高性能微波吸收材料提供了有效的策略，并有望在有效的电子保护中得到应用。相关工作以“Self-assembled reduced graphene oxide/nickel nanofibers with hierarchical core-shell structure for enhanced electromagnetic wave absorption”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320305480
三、研究内容
图1. 3D rGO/Ni纳米纤维的制备流程示意图
图2. SEM与TEM表征
为了研究镍链和3D rGO/Ni纳米纤维的微观结构和形态，进行了SEM和TEM表征。随着rGO含量的增加，垂直排列的边缘平面的数量增加，这可以提高rGO/Ni纳米纤维的比表面积。随着rGO含量的增加，涂覆的rGO层也从半透明变为不透明，这表明rGO层的厚度增加了。合适的rGO/Ni比和rGO-Ni静电相互作用在成功构建3D rGO/Ni纳米纤维中起关键作用。
图3. 吸波性能表征
图4 吸波机理分析
对于rGO/Ni比例为1：3的3D rGO/Ni纳米纤维，RL 最低值在14.9 GHz时达到-50.52 dB，匹配厚度为2.0 mm，相应的有效吸收带宽为4.2 GHz（11.9-16.1 GHz）。有效调节复介电常数和磁导率可提供良好的阻抗匹配，从而允许更多的微波渗透到吸收体中。由于具有尺寸优势的3D rGO/Ni纳米纤维易于构建导电网络，因此迁移电子和跳跃电子可以轻松转移，从而导致随时间变化的电磁场感应电流在导电网络中迅速衰减并转换为热能。垂直排列的石墨烯边缘平面和分层的核-壳结构设计大大提高了相邻纳米纤维的界面以及rGO和Ni链的界面极化损耗。此外，各种形式的磁损耗也增强了微波吸收。因此，这种具有特殊结构设计的新颖3D rGO/Ni纳米纤维可实现出色的吸波性能。
四、研究小结
通过简便的湿法化学合成和静电自组装方法成功地合成了具有分层核-壳结构和垂直排列的石墨烯边缘平面的3D rGO/Ni纳米纤维。这种独特的3D rGO/Ni纳米纤维由于具有大的比表面积和有效的界面极化损耗，因此具有高效的微波吸收特性。通过调节rGO/Ni的质量比，可以简单地控制纳米纤维的3D微观结构和吸收性能。rGO/Ni质量比为1：3时，在仅含15 wt％rGO/Ni纳米纤维的情况下，可实现-50.52 dB的衰减，并且在2.0 mm的较薄匹配厚度下，有效吸收带宽达到4.2 GHz。这项工作为设计适用于高效电子器件保护的高性能微波吸收材料提供了有效的策略。（文：嘉一）
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