Off/on switchable smart electromagnetic interference shielding aerogel

https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.02.022

单位：北京航空航天大学

通讯作者：水江澜教授

作者选用了具有垂直排列的微通道结构的木材作为构建碳气凝胶的原料。首先，依次用NaOH / Na₂SO₃混合溶液和H₂O₂溶液对木材进行水热处理，以去除木质素、半纤维素和部分纤维素（图1B）。此时木材变为白色，密度从205降低到108 mg cm-3，内部结构变为波浪状的层状结构，这是因为木材的薄细胞壁被溶解了，而沿X方向排列的纤维素纤维保留了下来（图1C-1E）。随后，将处理后的木材用作海绵，以吸收酸化的Vulcan XC-72碳纳米颗粒分散液。最后，通过冷冻干燥和退火处理，木材/ XC-72海绵转化为密度仅有54 mg cm-的碳气凝胶（WXC气凝胶）。

图1 气凝胶的制备和结构

WXC气凝胶的各向异性结构导致其各向异性的机械性能和电性能。当垂直于碳层压缩时，它会显示出较大的变形，并且在应力释放后会迅速恢复其原始高度（图2A）。经过30次压缩-解压循环后，WXC气凝胶仍能完全恢复而没有塑性变形（图2D）。此外，通过压缩可以大大提高WXC气凝胶的电导率。当应变从25％增至75％时，电导率从约0.4 Sm-1增至约17.3 S m-1（图2E）。图2F展示了当在气凝胶上施加应力时，LED变亮；而在释放应力时，LED变暗。未压缩时，气凝胶具有较大的层间距，碳层上的XC-72颗粒不能上下接触，表现出低导电状态。压缩后，堆叠的波浪状碳层的层间距大大减小（图2G，2J，2K），使附着于上下碳层的大量XC-72颗粒接触，以形成大量的导电通道，从而显着提高了气凝胶的电导率。

图2可开/关EMI气凝胶的电气和机械性能

图3A和3B显示了WXC气凝胶的电磁屏蔽效果（SE_T（Y））和吸收效果（SE_A（Y）），展现出了对应变的敏感性。未压缩的WXC气凝胶的SE_T（Y）非常低，约为1.4 dB，表明入射EM波以相当低的损耗穿透，此时状态为“关”。压缩后，WXC气凝胶的SE_T（Y）急剧增加，当应变达到75％时，SE_T（Y）提升至〜27.6 dB，超过了商业应用的标准EMI屏蔽要求（> 20 dB），即处于“开”状态。通过反复压缩和解压WXC气凝胶，可以在EMI屏蔽的开/关之间进行切换（图3C），且其性能在几个循环后几乎没有衰减。作者还用FEKO软件进行仿真。当EM波穿透未压缩的气凝胶时，其电场强度仅略微降低，表明EM波的有效传输。相反，在穿透压缩的气凝胶后，EM波的电场强度显着降低，从而证明了气凝胶强大的EMI屏蔽能力。

图3 气凝胶的电磁屏蔽性能

Macroscopic Ultralight Aerogel Monoliths of Imine‐based Covalent Organic Frameworks

单位：马德里自治大学

通讯作者: Felix Zamora

在过去的十年中，二维多孔材料由于其可设计的多孔结构而备受学者青睐，其中包括共价有机骨架（COF）、晶体多孔有机聚合物等。凭借出色的理化特性、高结晶度和大表面积的孔隙率，COF已展现出了巨大的应用潜力，在能量存储、催化、分子存储和水净化/脱盐等领域得到广泛应用。然而，合成的COF通常为粉末材料，而不是块体材料，这很大程度上限制了它们的实际使用。

本文中，作者提出了一种基于溶胶-凝胶转变、溶剂交换和超临界CO2干燥的简单三步法生产超轻亚胺基COF气凝胶的策略。其中二维亚胺基COF薄片连接在一起以形成分层的多孔结构。该工艺简单、经济、环保，并且条件温和，不需要粘合剂和/或高压。所得COF气凝胶块体具有极低的密度（大约0.02 g cm-3）和高孔隙率（约为99％），并且在中等应变（<25-35％）下为弹性材料，在更大的压力下变成塑性材料。其展现出出色的甲苯吸收能力（吸收率为32 g g -1）和去除效率（约99％），并具有良好的可回收性。作者还合成了具有可测量电导率和磁性的COF气凝胶/氧化铁纳米颗粒复合材料，从而将三步法策略推广到合成具有多种功能的COF气凝胶/纳米材料复合材料中。该策略的通用性将促进各种新型COF气凝胶和具有与实际工业应用相关的功能复合材料的生产。