类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究由Chan Guo、Shiping Shao、Xin Zhang、Yunxiang Tang（通讯作者）、Luxue Wang、Jiurong Liu（通讯作者）、Lili Wu、Ke Bi（通讯作者）和Fenglong Wang（通讯作者）合作完成。主要研究单位包括山东大学材料液固结构演变与加工教育部重点实验室（Key Laboratory for Liquid-Solid Structural Evolution and Processing of Materials Ministry of Education, Shandong University）和北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室（State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications, Beijing University of Posts and Telecommunications）。研究成果于2024年6月24日发表于《Nano Research》（Tsinghua University Press出版，DOI: 10.1007/s12274-024-6840-x）。

学术背景
本研究属于电磁波吸收材料领域，旨在解决当前电磁波吸收材料面临的瓶颈问题：反射损耗（RL）不足、有效吸收带宽（EAB）受限、厚度过大及功能单一性。随着无线电子设备的普及，电磁干扰和污染问题日益严重，亟需开发兼具轻量化、高效吸波及多功能集成的新型材料。气凝胶（aerogel）因其三维多孔结构和可调控的介电/磁性能成为潜在解决方案，但如何构建兼具磁/介电协同效应和精细微观结构的多功能气凝胶仍具挑战性。

研究团队提出一种新型复合气凝胶（Co/MnO/Ti3C2Tx MXene/RGO，简称CMMG），通过三维垂直通道结构设计、磁性/介电多组分整合及异质界面工程，实现电磁波吸收、热绝缘和压力传感的多功能集成。

实验方法与流程
1. Co/MnO纳米复合颗粒合成
- 方法：共沉淀法合成MnCo2O4前驱体，经氢氮混合气（5% H2）700℃还原获得Co/MnO双组分纳米颗粒。
- 关键步骤：Co(NO3)2·6H2O与Mn(NO3)2·4H2O以2:1摩尔比混合，NaOH共沉淀后水热反应（160℃, 10 h），煅烧（400℃, 1 h）后还原处理。
- 创新点：通过双金属尖晶石结构（spinel）前驱体转化，实现磁性（Co）与介电（MnO）组分的均匀复合。

1. Ti3C2Tx MXene纳米片制备

   • 方法：选择性刻蚀Ti3AlC2 MAX相中的Al层，采用LiF/HCl溶液（35℃, 24 h）腐蚀，离心洗涤至pH=6。
     
   • 验证：XRD显示(002)晶面特征峰（2θ=7.0°），证实成功剥离。
     

2. CMMG复合气凝胶组装

   • 步骤：
     
     • GO与MXene通过氢键自组装形成混合凝胶。
       
     • Co/MnO纳米颗粒通过静电作用负载于凝胶骨架。
       
     • 定向冷冻干燥（-56℃, 72 h）构建垂直通道结构。
       
     • 氮气氛围热处理（300℃, 1 h）还原GO为RGO。
       
   • 质量控制：通过调控Co/MnO质量比（0.4:1:4至2:1:4）获得CMMG-1至CMMG-3系列样品。
     

3. 性能表征与测试

   • 电磁参数测试：矢量网络分析仪（VNA）测量复介电常数（ε_r）和复磁导率（μ_r），通过传输线理论计算反射损耗（RL）。
     
   • 微观结构分析：SEM/TEM观察三维孔隙与异质界面（如Co-MnO Schottky结），EDS元素分布验证组分均匀性。
     
   • 多功能测试：接触角测量疏水性（WCA=106.5°），Hot Disk仪测定热导率（24.35 mW·m⁻¹·K⁻¹），光电热转换实验评估太阳光热性能（35→122℃升温）。
     

主要结果
1. 电磁波吸收性能
- CMMG-2气凝胶在2.75 mm厚度下实现最小反射损耗（RL_min=-77.41 dB），有效吸收带宽（EAB）达6.56 GHz，优于多数已报道气凝胶（对比数据见表S1）。
- 机制分析：
- 三维导电网络：MXene/RGO骨架提供多重散射路径，延长电磁波传播距离。
- 界面极化：Co/MnO与MXene/RGO形成的异质界面（如晶格缺陷、官能团）增强偶极极化（Cole-Cole曲线显示多弛豫过程）。
- 磁损耗协同：Co纳米颗粒的涡流损耗（eddy current）与自然共振（natural resonance）通过振动样品磁强计（VSM）验证（饱和磁化强度M_s=14.89 emu·g⁻¹）。

1. 多功能特性
   
   • 热管理：垂直通道结构将热导率抑制至24.35 mW·m⁻¹·K⁻¹，13分钟内高温基板（100℃）传热后表面仅60℃。
     
   • 压力传感：气凝胶的孔隙结构在压缩时导电通路变化（电流响应达4 cycles），可监测手腕弯曲（ΔR/R0≈50%）等人体动作。
     

结论与价值
1. 科学价值：
- 提出“磁/介电双组分+垂直通道”协同设计策略，为多功能吸波材料开发提供新思路。
- 揭示异质界面极化与缺陷诱导偶极极化对电磁损耗的增强机制（通过XPS验证C-Ti/C-O键合）。

1. 应用价值：
   
   • 适用于极端环境（如高湿度、温差大场景）的电子设备防护。
     
   • 可扩展至柔性电子、智能传感等领域。
     

研究亮点
1. 创新设计：首次将尖晶石衍生Co/MnO与MXene/RGO结合，实现磁/介电/导电多损耗机制协同。
2. 性能突破：RL_min（-77.41 dB）和EAB（6.56 GHz）均为同类气凝胶最优。
3. 方法学贡献：开发定向冷冻干燥-原位还原的通用气凝胶制备工艺（可推广至其他二维材料体系）。

其他发现
- 光电热转换效率达80%以上（UV-Vis DRS证实宽带光吸收），拓展了其在太阳能利用领域的潜力。