石墨烯/MOFs杂化微波吸收复合材料的研究进展

张天源，田恐虎，王彩艳

（安徽理工大学材料科学与工程学院，安徽淮南 232001）

金属有机框架（Metal Organic Frameworks，简称MOFs）是一种有机-无机杂化金属材料。通过调节金属离子和有机配体的组成，结合高温热解工艺，可获得预定结构或性能的金属衍生物；其具有质轻、可控调节的介电常数和微波吸收性能[1]。石墨烯是由碳原子通过sp2杂化而组成的平面膜。π电子可在一定平面内自由移动，使石墨烯具有优异的电学性质，如多种霍尔效应，高载流子率以及良好的导电性等[2]。但是单独使用石墨烯作为微波吸收材料，其高电导率和高介电常数会导致阻抗匹配差等缺点。

由于MOFs或石墨烯单一组分在调控微波吸收性能方面能力有限，通过选用合理的加工方法制备石墨烯/MOFs杂化复合材料，并结合结构设计，可实现其微波吸收性能的优化。基于此，本文从石墨烯/MOFs杂化微波吸收复合材料结构设计的角度，分析探讨了核壳结构设计、层状结构设计和三维网络结构设计的石墨烯/MOFs杂化复合材料的制备方法和微波吸收性能。

1 核壳结构设计

核壳结构设计是复合材料新型结构设计的方法之一。Liu等[3]采用溶剂热法，以还原氧化石墨烯（RGO）为核，以Co＠NC为壳，制备了核壳结构的Co＠NC/RGO杂化复合材料。研究发现，当厚度为3.5mm，Co＠NC/RGO杂化复合材料的最佳反射损耗为-46.5dB（在9.4GHz处）。在1.5～5.0mm调节厚度，该杂化复合材料的最大吸收带宽达14.3GHz（3.7～18.0GHz）。赵成云[4]采用等离子电弧法，以Ni为核，以C为壳，制备了Ni＠C；随后将其沉积在RGO上形成Ni＠C/RGO杂化复合材料。研究发现，当厚度为3.1mm，Ni＠C/RGO杂化复合材料的最佳反射损耗达到-47.5dB（在9.8GHz处）；相对于单一的Ni＠C和RGO，其微波吸收性能有显著 提高。

2 层状结构设计

层状结构设计能有效提高石墨烯/MOFs杂化微波吸收复合材料的微波吸收性能。Yang等[5]采用水热合成法，以金属有机骨架（MIL-88B）与C为原料，制备了层状结构的MIL-88B/C杂化复合材料。实验结果表明，MIL-88B/C杂化复合材料具有较高的比表面积和总孔隙率，能为电磁波的散射和吸收提供活性中心，从而促进其对电磁波的有效吸收。当MIL-88B/C杂化复合材料结构为5层时，该复合材料对电磁波的吸收率可达86%。Bai等[6]通过溶剂热法制备了层状结构的FeMn-MOF/石墨烯杂化复合材料。研究结果表明，这种层状结构的FeMn-MOF与石墨烯构成的特殊结构，能有效提高复合材料的微波吸收性能。当厚度为1.5mm，该杂化复合材料的最佳反射损耗为-34.5dB（在14.1GHz处）。Wang等[7]以MOF衍生的Zn-Co＠C纳米颗粒和RGO制备了层状结构的Zn-Co＠C/RGO杂化复合材料。研究结果表明，RGO可以有效阻止Zn-Co＠C的团聚，同时通过调节RGO浓度可以改善复合材料的阻抗匹配。当厚度为2.0mm，该杂化复合材料的最佳反射损耗为-47.1dB（在11.2GHz处）。

3 三维网络结构设计

三维网络结构设计是复合材料新型结构设计的又一方法，有利于提高石墨烯/MOFs杂化微波吸收复合材料得微波吸收性能。Fan等[8]采用机械共混结合退火工艺制备了三维结构的Bi＠C/RGO杂化复合材料。研究结果表明，Bi＠C/RGO杂化复合材料的多孔结构以及界面处残留的含氧官能团可以为微波吸收性能调控提供有利条件。当厚度为3.7mm，该杂化复合材料的最佳反射损耗为-33.8dB（在8.8GHz处）。Liu等[9]采用湿化学方法结合碳化工艺制备了三维网状结构的ZnO＠C/RGO杂化复合材料。研究结果表明，该杂化复合材料具有多孔结构且比表面积大等优点。当厚度为3.5mm，ZnO＠C/RGO杂化复合材料的最佳反射损耗为-37.1dB（在6.0GHz处），最大吸收带宽为1.9GHz（5.3～7.2GHz）。Wang等[10]采用高温热解法制备了三维网络结构的Co/Co3O4＠C/CNTs/RGO复合材料。结果分析表明，当厚度为2.5mm，该杂化复合材料的最佳反射损耗为-59.2dB（在11.2GHz处），当厚度为2.0mm，该杂化复合材料的最大吸收带宽为5.7GHz（12.3～18.0GHz）。熊厚冬等[11]采用等离子体电弧蒸发法制备了FeSiCr纳米颗粒，随后制备了三维结构的FeSiCr/GO杂化复合材料。研究结果表明，FeSiCr/GO杂化复合材料的最佳反射损耗为-69.1dB（在4.3GHz处）。

4 结语

通过调节石墨烯/MOFs的种类及配比等，可以发挥两者在微波吸收方面的优势，克服单一组分材料的不足。根据实际应用环境的需求，可以结合结构设计，进一步调控石墨烯/MOFs杂化复合材料的微波吸波性能。随着石墨烯/MOFs杂化微波吸收复合材料的新型结构设计和复合技术的发展，有望使其获得更优异的综合性能。