成果简介
石墨烯基气凝胶（GAs）凭借其三维多孔结构、可调的导电性与表面化学，以及轻质高强的特性，在电磁波吸收材料领域展现出巨大应用潜力。然而，现有关于石墨烯基气凝胶吸波材料的综述尚未系统总结其与其它材料的协同机制，也缺乏对组分与结构协同调控策略的深入讨论。因此，系统梳理石墨烯基气凝胶吸波的最新进展、建立”合成—结构—功能”关联，具有重要意义。基于此，本文，重庆大学张育新 教授团队在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊发表名为”Recent Advances in Graphene-Based Aerogels for Electromagnetic Wave Absorption: A Comprehensive Review”的综述论文，系统梳理了石墨烯基气凝胶吸波的最新研究进展。该综述阐述了电磁波吸收的基本原理，并重点归纳了石墨烯及气凝胶的性质、结构特征与制备方法。
此外，综述考察了缺陷工程、多组分复合以及结构设计（核壳结构与异质结构）对吸波性能调控的影响，揭示了这些策略在拓宽吸收带宽与增强衰减能力方面的协同作用。经系统归纳，上述策略协同实现了”宽频带—强衰减”的吸波目标；综述还分析了石墨烯基气凝胶在特殊工况下的吸波应用，并探讨了人工智能（AI）与机器学习在吸波材料设计中的潜在价值。同时，该综述讨论了当前面临的挑战与未来方向，为面向严苛环境的电磁防护提供了参考。本综述系统梳理了石墨烯基气凝胶吸波材料的组分—结构—性能关联，填补了现有综述在协同机制与协同调控策略上的空白，并为未来吸波材料的发展提供了指导思路。
图文导读
2.1 EMW衰减机制
石墨烯基气凝胶（GAs）材料的电磁波吸收性能从根本上取决于阻抗匹配特性与多种电磁能量耗散机制之间的协同平衡。未来的研究应侧重于多组分、多尺度分层结构的合理设计，将系统性的理论模拟计算与严谨的实验验证相结合，精确调控传导损耗、极化弛豫、磁损耗及多重散射耗散的相对贡献，并为下一代高性能宽带电磁波吸收材料的发展提供关键指导。
2.2 全能态的基本性质
不同的制备方法各有其优缺点。为了清晰地比较它们的性能极限、适用场景和技术瓶颈，表1总结了每种方法的优点和局限性。水热法和化学还原法操作简单或涉及温和的反应，但分别存在安全性和残留物方面的问题；化学交联法可显著提高机械强度，但可能会降低电导率； 3D打印可实现结构定制，且具有大规模生产的潜力，但该技术尚未成熟；冰模板法和气泡模板法通过模板诱导成形来优化孔结构，但分别受制于制备时间和机械强度；CVD法可增强气凝胶的内在性能，但在设备和工艺方面存在较高门槛。这些方法的优缺点为根据不同应用领域选择和优化气凝胶提供了参考。
| preparation method | advantages | disadvantages |
| Hydrothermal method | ◆ High product purity, no residual chemical reagents. | ◆ High reaction temperature and long duration. |
| ◆ Mature process with wide applications. | ◆ Reaction time has a certain influence on mechanical properties and electrical conductivity. | |
| Chemical reduction method | ✧ Short reaction time. | ✧ Reducing agents may leave residual impurities. |
| ✧ Operates under ambient pressure, mild conditions with low temperature. | ✧ Reduction degree depends on the type and concentration of reducing agents. | |
| ✧ Allows heteroatom doping. | ✧ Prone to excessive stacking of graphene sheets. | |
| Chemical crosslinking method | ● High structural stability. | ● Requires crosslinking agents, leading to complex processing. |
| ● Tunable porosity and mechanical properties. | ● Some crosslinking agents may reduce conductivity or introduce toxicity. | |
| ● Suitable for multifunctional composites. | ||
| 3D printing | ➢ Enables precise control of 3D structure for complex designs. | ➢ Requires high-viscosity inks; additives may affect performance. |
| ➢ Suitable for large-scale production. | ➢ Post-treatment easily causes structural collapse. | |
| ➢ Allows integration of multiple materials. | ||
| Chemical vapor deposition (CVD) | ▪ High crystallinity with few defects. | ▪ Expensive equipment requiring high temperatures. |
| ▪ Pore structure can be regulated via templates. | ▪ Relies on templates, resulting in complex process and high cost. | |
| ▪ Applicable to doped structures. | ||
| Ice templating method | ✓ Simple process, low cost. | ✓ Weak interaction between graphene sheets leads to poor mechanical properties and low electrical conductivity. |
| ✓ Allows design of micro/nano structures. | ✓ Requires freeze-drying equipment with high energy consumption. | |
| ✓ Suitable for biomass-derived material composites. | ||
| Bubble template method | □ Enables preparation of lightweight and highly elastic materials. | □ Requires surfactants or foaming agents, which may introduce impurities. |
| □ No need for freeze-drying; direct air drying. | □ Difficult to control process parameters. | |
| □ Controllable pore structure. |
2.3 用于电磁波吸收的GAs
单组分石墨烯材料具有重量轻、导电性强及三维多孔结构等特点，在电磁波吸收领域具有巨大的应用潜力。其波吸收性能主要源于介电损耗，通过调控微观结构和电导率可实现高效的能量耗散。然而，纯石墨烯体系存在阻抗匹配差、损耗机制单一等局限性，这促使人们不断对其结构和制备工艺进行优化。
机器学习在提高材料设计的效率和准确性方面已经展现出其价值。然而，现有的模型仍主要针对特定的材料体系和理想化结构而开发，其在跨尺度和多物理场耦合条件下的泛化能力和可解释性仍然有限。特别是，从微观缺陷、界面极化、石墨烯层结构到介观尺度孔隙网络及宏观波吸收性能的跨尺度传递关系尚未得到明确表征；因此，数据驱动型模型难以准确解释不同尺度特征对阻抗匹配和电磁损耗的具体贡献。未来，可将电磁损耗理论和多尺度模拟结果作为物理约束条件，融入可解释的分析方法，从而构建一个将微观结构、电磁参数和宏观波吸收性能联系起来的分层预测模型。结合高通量实验，该方法将形成一个用于模型训练、机理验证和参数优化的闭环系统，从而提高跨尺度预测的透明度、普适性和可靠性。
小结与展望
GAs 结合了石墨烯的优良电磁特性与气凝胶的多孔结构；通过微观尺度控制和性能优化，它们在电磁波吸收领域展现出了巨大的潜力。本文系统综述了GAs作为波吸收材料的研究进展，涵盖了吸收机理、基本性能、各种制备方法（如水热合成、化学还原、3D打印、冰模板法和CVD）及其各自的优缺点。此外，本文还深入探讨了缺陷工程，以及涉及MXenes、MOFs、磁性颗粒、导电聚合物和碳基材料的复合材料改性策略。此外，本文还总结了正交梯度、纳米阵列和手性结构等结构调控技术，以及GAs在高温、高湿和柔性等特殊环境中的应用。
尽管已取得显著进展，但仍面临若干挑战。为此，提出以下发展建议：
- 结构与制备优化。将三维微观建模与先进制造技术相结合，以实现精确的结构设计和高效的制备，确保材料的一致性和可控性。
- 复合材料改性。探索GA与高熵氧化物的复合材料，利用石墨烯与高熵氧化物之间的阻抗匹配及其多种损耗机制，协同提升吸收性能。
- 智能响应结构。开发动态自适应和刺激响应结构，以实时调节吸收性能，拓展其在智能电子和航空航天等领域的应用。
- 人工智能集成。利用机器学习等方法加速性能预测和结构优化，从而推动研究范式的创新。
- 产业化与长期稳定性。开发低成本且可扩展的制备技术（如DIW 3D打印），以解决大规模生产过程中石墨烯片团聚和结构坍塌的问题。同时，应制定有效的性能保护策略，以增强材料的抗氧化性、防潮性和电磁稳定性。
未来研究应聚焦于结构、性能与应用的协同整合，推动基于GA的吸波材料向多功能化、智能化、环境可持续性和产业化方向发展。通过将新型机制与先进材料相结合，预计将实现电磁功能材料与智能设备的高水平集成，为电子与信息技术、航空航天及能源等高科技领域提供广阔前景。
文献：https://doi.org/10.1021/acsami.6c15083
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