随着信息时代的到来，手机、电脑等日新月异的数字设备提高了人们的生活水平和工作效率，然而随之产生的电磁辐射逐渐对人体健康和设备运行维护造成极大威胁。此外，滥用抗生素导致自然环境中出现大量无法代谢的抗生素，由此产生耐药菌和耐药基因等有害物质，也会对人类健康产生危害。因此开发多功能新型材料是近年来降低成本、拓展材料应用的一个重要研究方向。由于物理机制上具有巨大差异，研制能够同时解决电磁辐射污染和抗生素污染问题的新材料仍然是一个巨大挑战。
有鉴于此，北京化工大学王维教授团队在《Carbon》期刊上发表题为“One-step in-situ preparation of C/TiO2@rGO aerogel derived from Ti3C2Tx MXene for integrating microwave absorption, electromagnetic interference shielding and catalytic degradation of antibiotics”的研究论文。本论文利用MXene的一步原位氧化制备了一种新型的轻质多功能C/TiO2@rGO气凝胶。独特的三维多孔结构和巧妙的组分调控赋予了气凝胶极低的密度、优异的电磁波损耗能力和良好的阻抗匹配。在仅为3 wt.%的超低填充比下, C/TiO2@rGO气凝胶展示出优异的微波吸收性能，最小反射损耗(RLmin)为-60.24 dB，有效吸收带宽(EAB)达6.16 GHz。此外，该材料还具备良好的电磁干扰(EMI)屏蔽性能和光催化降解抗生素的能力，其中电磁干扰屏蔽效能达52.63 dB，对四环素(TC)和土霉素(OTC)的光催化降解率分别为96.5 %和91.6 %。因此，这项研究提供了一种潜力巨大的多功能材料制备方法，并为解决日益严重的电磁污染和水污染问题提供了新方案。
C/TiO2@rGO气凝胶的制备如图1a所示，在超声波处理过程中，多层MXene被分散成大量薄层，并与氧化石墨烯纳米片均匀混合。随后，通过高温水热处理将MXene转化为二维碳层和TiO2颗粒，同时使氧化石墨烯纳米片转化为还原氧化石墨烯，最终交联形成具有三维多孔网络的结构。实际上，多孔结构有利于电磁波的多次反射和散射，从而促进电磁波的衰减。同时，多孔结构促进了材料与抗生素的接触，加速了抗生素的光催化降解。
图1. C/TiO2@rGO气凝胶的制备流程图。b-d) 样品CTA-2的SEM图。e)单层MXene的TEM图。样品CTA-2的f, g) TEM和h, i) HRTEM图。j)锐钛矿TiO2的晶格结构图。
填充比是评估微波吸收剂好坏的重要判断指标之一，本文系统地分析了不同样品在3 wt.%的超低填充比下的微波吸收性能。通过调控GO和MXene比例可获得3个样品，如图2a-i所示。其中，样品CTA-1在厚度为5 mm时， RLmin值为-19.70 dB，在厚度为2.73 mm处的EAB值为6.08 GHz。样品CTA-2在厚度为2.59 mm时的RLmin达到-60.24 dB，而在2.21 mm时，EAB为6.16 GHz (11.84 ~ 18 GHz)，完全覆盖了Ku波段。然而，当MXene的比例进一步增加时，样品CTA-3的微波吸收能力较差，RLmin值仅为-5.31 dB。与其他rGO基和MXene基微波吸收材料相比，样品CTA-2在3 wt.%的超低填充率下表现出突出的微波吸收性能(图3l)。因此，合成的C/TiO2@rGO气凝胶是一种极具潜力的轻质高效电磁波吸收材料。
图2. 样品a, d, g) CTA-1、 b, e, h) CTA-2和g, h, i) CTA-3的RL曲线图、三维损耗图和二维带宽图。j) 样品不同厚度的RL直方分布图。k)不同样品RLmin和EAB比较。l)同类材料的微波吸收性能对比图。
微波吸收器的微波吸收性能由其电磁参数决定，即复介电常数(er = e¢ - je¢¢)和复磁导率(mr = m¢ - jm¢¢)。从图3a明显可以看出，对于CTA-1和CTA-2样品，e¢和e¢¢值随着高导电性碳层的加载而增大。然而，随着MXene比例的继续增加，样品CTA-3的e¢和e¢¢值突然下降。主要原因是当碳层和TiO2颗粒负载过量时，还原氧化石墨烯纳米片无法形成稳定的多孔结构，从而阻碍了导电网络形成。如图3b所示，样品CTA-2的Cole-Cole曲线中出现多个半圆，表明存在由界面极化和偶极极化引起的多重弛豫过程，如偶极极化和界面极化。此外，除了极化损耗外，传导损耗也是提高介质损耗能力的关键因素，其存在可以从Cole-Cole曲线的长尾中得到验证。因此，样品CTA-2的强介电损耗得益于高频极化损耗和低频传导损耗的结合。图3c-g 表明C/TiO2@rGO气凝胶优异的微波吸收性能主要来源于其较强的电磁波衰减能力和良好的阻抗匹配。
图3. a)介电常数实部、虚部和介电损耗正切值。b)Cole-Cole曲线。c)衰减常数。d)样品CTA-2在2.59 mm下的RL、Z和α值。e) CTA-1、 f) CTA-2和g) CTA-3的阻抗匹配图。
C/TiO2@rGO气凝胶不仅具有优异的微波吸收性能，还展示出优异的电磁干扰屏蔽能力。如图4a所示，样品CTA-2的SET随着加载比的增大而增大，最大可达52.63 dB。通过后续分析可知，所有填充比下SEA均大于SET，表明C/TiO2@rGO气凝胶的电磁屏蔽性能以微波吸收为主导。平均有效吸收效率(Aeff)超过90 %，表明大部分电磁入射波在材料内部将被吸收而不是透射。因此，优越的电磁干扰屏蔽性能主要归功于C/TiO2@rGO气凝胶具有较强的电磁波吸收能力。
图4.样品CTA-2在不同填充比下的a) SET, b) SER, c) SEA, d)吸收率(A), e)反射率(R), f)透射率(T)。g) SER, SEA, SET 对比图与h) A 和Aeff对比图。i) C/TiO2@rGO气凝胶的电磁屏蔽机理图。
本文以两种典型抗生素TC和OTC作为目标污染物，测试了C/TiO2@rGO气凝胶的光催化降解能力。对比纯锐钛矿TiO2颗粒，样品CTA-2对抗生素展示出良好的光催化降解性能，90分钟内对TC和OTC的去除率分别为96.5 %和91.6 %。此外，瞬态光电流响应和电化学阻抗谱表明C/TiO2@rGO气凝胶具有较高的光诱导电子和空穴对分离效率以及电荷输运效率，从而提高了光催化降解性能(图5e-f)。
图5. a) TC和c) OTC的光催化去除曲线和b，d)相应的准一级动力学拟合曲线。e)样品CTA-2和TiO2的瞬态光电流响应和f) 电化学阻抗谱图。
综上所述，本文通过简单的一步水热和冷冻干燥法制备了一种C/TiO2@rGO气凝胶多功能纳米材料。由于其独特的三维多孔结构、良好的阻抗匹配以及较强的传导损耗和极化损耗，C/TiO2@rGO气凝胶在填充比仅为3 wt.%时便具有优异的微波吸收性能。其中，C/TiO2@rGO气凝胶的RLmin和EAB分别可达-60.24 dB和6.16 GHz，覆盖了整个Ku波段。此外，该材料还具有较强的电磁屏蔽性能，SET可达50.63 dB。更重要的是，通过巧妙的原位相变将半导体TiO2加载到复合材料中，实现了抗生素的光催化降解。C/TiO2@rGO气凝胶对TC和OTC的光催化降解率分别达到96.5 %和91.6 %。因此，本工作提供了一种具有多领域应用潜力的纳米复合材料制备方法，为新一代多功能材料的制备提供了思路。
Junfeng Qiu, Chunyi Peng, Rongchen Wang, Chao Yao, Xin Liu, Qiang Wang, Wei Wang, One-Step In-Situ Preparation of C/TiO2@rGO Aerogel Derived from Ti3C2Tx MXene for Integrating Microwave Absorption, Electromagnetic Interference Shielding and Catalytic Degradation of Antibiotics, Carbon 217 (2024) 118610. DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118610.
邱俊锋，北京化工大学2022级博士生，致力于轻质微波吸收材料的研究。
王维，北京化工大学教授，博士生导师，上海交通大学博士，2012年赴德国理论物理中心访问，2014-2015年，赴美国德州大学阿灵顿分校访学，现为北京化工大学数理学院院长，担任《Frontiers in Materials》、《Molecules》期刊编委，《材料工程》、《航空材料学报》期刊青年编委。主要从事磁性纳米材料结构调控、物性机理及相关器件研究，在磁性材料的理论和实验研究方面有长期工作积累，重点关注铁氧体磁性纳米材料的可控制备、二维石墨烯/过渡金属硫化物等材料体系结构构筑与性能调控，以及低维磁性复合纳米材料在电磁屏蔽、光电催化等领域的应用，开发了系列可控制备低维纳米材料的实验技术和方法，主持国家自然科学基金青年项目、面上项目、国际合作与交流项目，北京市自然科学基金面上项目等。在Phys. Rev. B，JACS，Chem. Eng. J.，ACS Appl. Mater. Interfaces，Carbon等学术期刊发表研究论文100余篇，其中，高被引论文11篇，热点论文1篇。
本文仅用于学术分享，不做盈利使用，如有侵权，请联系后台小编删除
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系王女士：18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
