易于合成Fe?O?@木质衍生多孔碳材料，并通过优化阻抗匹配来提升其微波吸收性能

《Environmental Research》：Facile Synthesis of Fe 3O 4@wood-derived porous carbon with Optimized Impedance Matching for Enhanced Microwave Absorption Performance

本研究提出一种新型策略，通过序列脱 lignification-浸渍-碳化过程将分层木材结构与铁基纳米复合材料结合，构建多功能电磁波吸收剂。所获木质碳复合材料(MWCs)保留了天然木材的各向异性多孔结构，同时具备可调控的磁和导电网络。优化后的MWC-1-1000在2mm厚度下实现-70.09dB反射损耗和5.41GHz有效吸收带宽，显著优于现有生物质基吸收剂。该材料兼具优异阻燃性和自清洁能力，拓展了多功能应用场景。研究不仅提供了一种绿色可持续的高性能阻燃碳复合材料制备方法，还揭示了结构-性能设计的新机理，为下一代电磁防护和隐身材料开发奠定基础。

　　这项研究提出了一种创新的策略，用于构建多功能电磁波吸收材料。通过将分层木材结构与铁基纳米复合材料结合，并采用顺序脱木质素-浸渍-碳化工艺，成功开发出具有优异电磁性能的木基碳复合材料。这种材料不仅继承了天然木材的各向异性、多孔框架，还实现了可调的磁性和导电网络。研究结果显示，优化后的MWC-1-1000材料在2毫米厚度下表现出-70.09 dB的超低反射损耗，并且其有效吸收带宽达到5.41 GHz，显著优于大多数已报道的生物质基吸收材料。此外，该材料还具备良好的阻燃性和自清洁能力，使其在多功能电磁波吸收领域展现出广阔的应用前景。

随着电子设备和无线基础设施的快速发展，电磁污染已成为一个日益严重的问题。5G网络、雷达系统和物联网的广泛应用进一步加剧了电磁干扰（EMI）现象。EMI不仅可能干扰精密仪器的正常运行，还可能带来潜在的健康风险。因此，开发高效电磁波（EMW）吸收材料成为研究的热点，这些材料能够有效耗散或转换入射能量，确保电磁兼容性（EMC）。EMW吸收材料在隐身技术、医疗电子和安全通信等多个领域都具有广泛的应用前景。在这一背景下，生物质衍生的碳基吸收材料因其可持续性和独特的物理化学特性而受到越来越多的关注。

传统的碳基EMW吸收材料主要依赖于引入多孔碳、碳纳米管等手段来调控介电和磁性行为。然而，这些材料往往成本高昂且供应有限，限制了其大规模应用。相比之下，生物质材料如稻草、木材和壳聚糖等具有成本低、可再生和环境友好的特点，能够很好地满足绿色制造和碳中和的要求。此外，生物质在碳化过程中能够形成轻质多孔碳，具有高比表面积和可调的微结构，这有助于优化阻抗匹配和衰减特性，从而提高EMW吸收性能。同时，生物质的加工相对简单，使其具备大规模生产的潜力。

为了进一步提升EMW吸收性能，研究者们不断探索如何增强介电和磁性损耗。然而，过高的损耗参数可能导致材料界面阻抗失配，从而引发强烈的反射或电磁波的增强。为了解决这一问题，研究人员开始将磁性成分引入碳基材料，以协同偶极极化与界面极化，优化阻抗匹配。特别是，磁性纳米颗粒的嵌入能够形成复杂的导电网络，提高电子传输和散射能力，从而增强介电损耗。同时，磁性成分的引入也提供了额外的磁性损耗机制，进一步促进电磁波的衰减。因此，磁性纳米颗粒在碳基材料中的原位形成对于提升复合材料的电磁波吸收性能具有重要意义。

利用天然生物质构建多尺度分层多孔碳结构是一种低成本、高效的策略，近年来引起了广泛的研究兴趣。生物质的结构复杂性使其成为理想的模板材料，例如蜡梅的径向梯度微结构、各种木材的对齐管状框架以及海绵状的海绵体结构。这些复杂的结构在惰性气氛下经过碳化后，往往能够被很好地保留，形成具有高比表面积、互连导电网络以及丰富孔隙和结构缺陷的碳材料。这种分层多孔性不仅增强了电磁波的多次反射和散射，还促进了材料内部的连续阻抗过渡，从而提高了吸收性能。因此，生物质衍生的分层碳框架在电磁波吸收和屏蔽方面展现出巨大的潜力。

然而，这些材料的固有易燃性仍然是一个主要限制因素，阻碍了其在高要求环境中的实际应用。传统的方法通常通过增加材料的结构密度或在生物质基底上应用无机和有机阻燃涂层来改善其阻燃性。但这种方法往往会影响材料的天然微结构，同时阻燃涂层对电磁波行为的影响有限，导致研究者在提升电磁性能的同时兼顾阻燃性的探索相对较少。一些近期的研究尝试将MXene、NiS?/SnS?纳米片和镍基涂层等材料与碳基体结合，以同时提高阻燃性和电磁兼容性。然而，对生物质进行化学改性以实现阻燃性和增强电磁响应的综合性能仍然是一个未被充分探索的领域。

此外，某些结构形式，如泡沫和气凝胶，在制造、运输或使用过程中容易发生形变。这种形变通常会导致材料厚度的改变，从而影响其电磁波吸收性能。因此，开发一种轻质、阻燃、机械稳定且能在不同厚度条件下保持一致性能的电磁波吸收材料显得尤为迫切。本研究提出的策略正是针对这一挑战，通过优化处理工艺，制备出具有优异电磁兼容性的阻燃多孔碳材料。这些材料不仅在电磁波吸收方面表现出色，而且在实际应用中具备良好的稳定性。

本研究的创新点在于利用木材的天然结构作为模板，通过脱木质素、浸渍和碳化等步骤，构建出具有分层结构的多孔碳复合材料。木材的天然多孔性为电磁波的多次反射和散射提供了理想的路径，而浸渍过程则使铁基纳米颗粒均匀分布在木材的孔隙中。碳化过程不仅将木材转化为碳材料，还促进了铁基纳米颗粒的原位形成，从而构建出兼具磁性和导电性的复合材料。这种结构-性能的协同设计使得材料在电磁波吸收方面表现出色，同时具备良好的阻燃性和自清洁能力。

在微观结构方面，合成的复合材料表现出独特的多孔特征。扫描电镜（SEM）图像显示，材料具有蜂窝状的结构，表明其可能来源于天然木材模板或仿生结构。元素分布图像进一步揭示了碳和氧在材料中的均匀分布，这有助于提高材料的导电性和磁性响应。此外，材料的表面和内部结构缺陷为电磁波的散射和吸收提供了更多的路径，从而增强了其电磁波吸收能力。这种多孔性和结构缺陷的结合，使得材料能够实现高效的电磁波衰减。

在性能测试方面，MWC-1-1000材料在2毫米厚度下表现出-70.09 dB的超低反射损耗，显示出极强的电磁波吸收能力。其有效吸收带宽达到5.41 GHz，表明该材料在较宽的频率范围内均能有效吸收电磁波。这种优异的吸收性能得益于材料的多孔结构和磁性导电网络的协同作用。同时，该材料还具备良好的阻燃性和自清洁能力，使其在实际应用中更加安全可靠。这些特性使得MWC-1-1000不仅在电磁波吸收方面表现出色，还具备多功能性，能够满足多种应用场景的需求。

本研究的成果不仅为开发高性能、防火安全的木基碳复合材料提供了一种简便且可持续的方法，还为下一代电磁防护和隐身材料的结构-性能设计提供了新的思路。通过合理调控材料的微结构和成分，可以实现对电磁波吸收性能的优化，同时兼顾材料的阻燃性和稳定性。这种方法有望推动电磁波吸收材料的绿色化和高效化发展，为未来的电子设备和无线通信系统提供更加可靠的电磁防护解决方案。