通过微波合成碳量子点，可高效光催化降解孔雀石绿、刚果红和藏红花素

《Surfaces and Interfaces》：Microwave-synthesized carbon quantum dots for efficient photocatalytic degradation of Malachite Green, Congo Red, and Safranin.

本研究的TiO?@NiCo?O?纳米复合材料采用电纺和水热生长技术制备，形成蜂巢腿仿生结构，异质界面与多级散射中心协同实现微波吸收性能优化，4mm厚度时最低反射损耗达-21.30dB，有效吸收带宽覆盖X频段94.3%。

　　这项研究展示了一种新型的TiO?@NiCo?O?纳米复合材料的制备，其结构灵感来源于蜜蜂腿的层次化形态。通过将径向排列的NiCo?O?纳米针生长在TiO?纤维上，该复合材料模拟了蜜蜂腿的分支结构。这种独特的结构设计不仅能够产生丰富的异质界面，还能够形成多层次的散射中心，从而显著提升界面极化、阻抗匹配和微波吸收性能。研究团队采用了一种创新的合成策略，首先通过静电纺丝法制备双相TiO?纳米纤维，随后通过水热法在这些纤维表面生长出密集排列的NiCo?O?纳米针。这种方法不仅能够控制材料的微观结构，还能够实现对材料性能的优化。

从实验结果来看，该纳米复合材料在微波吸收方面表现出了卓越的性能。在2-12 GHz的频率范围内，研究人员通过测量反射损耗（RL）、阻抗匹配、复介电常数和磁导率、科尔-科尔图（Cole-Cole plots）、涡流损耗以及衰减常数等参数，全面评估了其电磁波吸收能力。实验数据显示，当材料厚度为4 mm时，其最小反射损耗（RL_min）达到了-21.30 dB，对应的频率为9.35 GHz，吸收带宽（EAB）为4.27 GHz（7.50-11.77 GHz），覆盖了X波段的94.3%。此外，当厚度增加到5 mm时，其RL_min为-20.51 dB，对应的频率为7.31 GHz，吸收带宽为3.93 GHz（5.38-9.31 GHz），覆盖了C波段的65.5%和X波段的32.8%。这些优异的吸收性能直接来源于其仿生结构设计，该结构巧妙地将介电损耗和磁损耗结合在一起，并通过形态辅助的多重散射机制进一步提升了吸收效率。

当前，随着电子设备在现代社会中的广泛应用，电磁污染问题日益突出，这不仅对人类健康构成潜在威胁，也对电子设备的精密运行造成干扰。与此同时，电磁波在许多高科技领域中发挥着重要作用，特别是在国防相关的应用中，如雷达、探测和监控系统。因此，开发能够有效吸收微波能量的先进材料成为迫切的需求。微波吸收材料（MAMs）因其在军事和民用领域的广阔前景，受到了广泛的关注。研究的目标是开发出轻质、高效且具有宽频带吸收能力的新型材料，以满足多样化的应用需求。

为了提高微波吸收效率，研究人员已经探索了多种材料体系，包括磁性、介电性和导电性材料。近年来，多组分结构的研究逐渐成为主流，因为通过有意地组合不同材料并设计特定的形态，可以协同提升吸收性能。在这一背景下，一维（1D）纳米结构因其高比表面积、方向性电荷传输特性以及能够形成复杂异质网络的能力而受到特别关注。虽然碳纳米纤维因其优异的微波吸收性能被广泛使用，但其他类型的1D材料也在被研究，以寻找替代方案。其中，二氧化钛（TiO?）因其无毒、稳定的半导体特性，以及易于制备和成本低廉等优点，成为一种具有潜力的候选材料。然而，单独的TiO?在微波吸收方面表现不佳，因此需要通过掺杂、氢化和与其他功能材料的复合来提高其性能。特别是，将TiO?与磁性材料结合，被认为是一种克服其固有局限并提升整体吸收性能的有效策略。

与此同时，NiCo?O?作为一种p型尖晶石过渡金属氧化物，因其具有双损耗机制、良好的导电性和形成多种纳米结构形态的能力而被广泛应用于微波吸收领域。由于其优异的物理性能，NiCo?O?不仅被单独使用，还被用于与其他材料形成复合或异质结构。尽管TiO?@NiCo?O?复合材料在电池、光催化和超级电容器等其他应用领域中有所研究，但其在微波吸收材料中的应用却鲜有报道。已有少数研究探讨了基于NiCo?O?的其他异质结构，并在微波吸收方面取得了积极的成果，但将双相TiO?和NiCo?O?组合成结构合理、形态可控的异质结构，仍是一个尚未被充分探索的研究方向。

本研究成功制备了一种具有蜜蜂腿形态的TiO?@NiCo?O?纳米复合材料，其结构设计旨在满足对高性能微波吸收材料日益增长的需求。通过使用XRD、SEM和TEM等手段，对样品的结构和形态进行了系统分析，结果证实了这种独特结构的成功形成。该样品由静电纺丝法制备的TiO?纳米纤维组成，这些纤维中包含了金红石和锐钛矿两种相，其表面被密集且均匀地装饰着NiCo?O?纳米针。这种结构不仅能够增强材料的微波吸收能力，还能够优化其电磁性能，为未来的微波吸收技术提供了新的思路。

从实验结果来看，该纳米复合材料在微波吸收方面表现出了显著的优势。其结构和形态的优化不仅能够增强材料的界面极化能力，还能够改善阻抗匹配，从而提升微波吸收效率。此外，通过多层次的散射机制，材料能够有效衰减电磁波，减少反射损耗。这些性能的提升直接来源于其仿生结构设计，该设计巧妙地将介电损耗和磁损耗结合在一起，并通过形态辅助的多重散射机制进一步提升了吸收效率。研究团队还对这种纳米复合材料的形成机制进行了深入分析，探讨了其结构和形态如何协同作用，以实现优异的微波吸收性能。

在实际应用中，这种新型纳米复合材料具有广泛的前景。其优异的微波吸收性能可以用于电磁干扰（EMI）防护和隐身技术等多个领域。例如，在军事领域，隐身材料能够有效减少雷达探测能力，提高装备的隐蔽性。在民用领域，电磁干扰防护材料可以用于防止电子设备之间的相互干扰，提高通信系统的稳定性。此外，该材料还可以用于其他需要高效微波吸收的场景，如天线设计、微波屏蔽和无线通信设备的电磁兼容性优化。

从材料科学的角度来看，这种仿生结构的设计不仅体现了自然界中结构与功能之间的紧密联系，还展示了如何通过人工设计实现对材料性能的优化。通过模仿蜜蜂腿的层次化结构，研究人员能够创造出一种具有丰富异质界面和多层次散射中心的材料，从而显著提升其微波吸收能力。这种设计思路为未来材料科学的发展提供了新的方向，特别是在开发高性能、多功能的微波吸收材料方面。此外，该研究还强调了界面工程在材料性能优化中的关键作用，表明通过精细调控材料的界面结构，可以进一步提升其在微波吸收方面的表现。

从技术实现的角度来看，该研究采用了多种先进的合成和表征方法，以确保材料的结构和性能能够达到最佳状态。首先，通过静电纺丝法制备了双相TiO?纳米纤维，随后通过水热法在这些纤维表面生长出密集排列的NiCo?O?纳米针。这种方法不仅能够实现对材料结构的精确控制，还能够确保材料的均匀性和稳定性。在表征方面，研究使用了XRD、SEM和TEM等多种技术，以全面分析材料的结构和形态。这些技术能够提供详细的晶相信息、微观结构特征以及表面形貌数据，从而确保材料的性能能够得到准确评估。

此外，该研究还对材料的电磁性能进行了系统分析。通过测量反射损耗、阻抗匹配、复介电常数和磁导率等参数，研究人员能够全面了解材料在不同频率范围内的吸收特性。这些数据不仅能够帮助研究人员优化材料的结构和性能，还能够为实际应用提供理论依据。例如，在设计微波吸收材料时，研究人员可以根据材料的反射损耗和吸收带宽等参数，选择合适的厚度和频率范围，以满足特定的应用需求。

从应用前景来看，这种新型纳米复合材料不仅适用于军事领域，还具有在民用领域的广泛应用潜力。例如，在通信设备中，微波吸收材料可以用于减少电磁干扰，提高信号传输的稳定性。在电子设备中，微波吸收材料可以用于防止信号之间的相互干扰，提高设备的运行效率。此外，在建筑和交通运输领域，微波吸收材料可以用于减少电磁污染，提高环境的电磁兼容性。因此，这种材料的研究不仅具有重要的科学意义，还具有广阔的应用前景。

综上所述，本研究通过仿生结构设计和界面工程，成功制备了一种具有优异微波吸收性能的TiO?@NiCo?O?纳米复合材料。这种材料不仅能够有效吸收微波能量，还能够优化其电磁性能，为未来的微波吸收技术提供了新的思路。研究结果表明，仿生结构设计在提升材料性能方面具有显著的优势，同时也展示了如何通过材料科学的创新来解决实际问题。随着材料科学的不断发展，这种新型纳米复合材料有望在多个领域中发挥重要作用，为未来的科技进步提供支持。