将木材废弃物转化为具有定制电磁特性的高性能分层多孔碳吸附剂

《Applied Nursing Research》：Valorizing wood waste into high-performance hierarchical porous carbon absorbers with tailored electromagnetic properties

生物质废弃物经脱 lignin 处理及碳化制备三维多孔碳，厚度2mm时实现-40.2dB反射损耗和5.8GHz带宽吸收，结构-电磁协同效应主导吸波性能。

　　

余虎|刘全鑫|陈伟|于茂业|郭建中|陈一鸣|马晓凡|陈林

浙江农林大学化学与材料工程学院，中国浙江省杭州市

摘要

生物质衍生碳材料在电磁波吸收（EMWA）领域具有巨大潜力，但通过简单且可扩展的方法实现优异性能仍面临重大挑战。本文采用一种简便的方法，通过脱木质素处理和可控的炭化温度，成功制备出了高性能、低成本的三维（3D）层状多孔碳材料。该材料在仅2毫米的厚度下实现了最低-40.2 dB的反射损耗值，并具有5.8 GHz的有效吸收带宽。这种优异的性能主要归因于其独特的物理结构和电磁特性的协同作用。三维层状多孔结构增强了电磁波在材料内部的多次反射和散射，而适当的阻抗匹配则促进了通过传导损耗和多极化松弛过程的有效能量耗散。此外，模拟雷达截面（RCS）进一步验证了其出色的电磁波衰减能力，最大RCS衰减值为32.49 dB m²。这项工作展示了将生物质废弃物高价值利用于先进电磁功能材料的一种可行策略。

引言

随着电磁技术和5G技术的快速发展，电磁波在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用，极大地促进了各种操作和日常需求的满足。然而，电磁波（EMW）的过度使用也导致了严重的电磁污染，这不仅干扰了高端敏感仪器和通信系统的正常运行，还可能对人类健康构成风险[1]、[2]、[3]、[4]。因此，迫切需要开发能够有效吸收和衰减电磁波的材料。目前，电磁波吸收（EMWA）材料的机制主要包括介电损耗、传导损耗和磁损耗。其中，磁损耗材料（如铁氧体、金属（Fe、Co、Ni）及其合金）具有低成本和优异的吸收性能等优点。然而，高密度、化学稳定性差和阻抗匹配不佳等问题限制了它们的广泛应用[5]、[6]、[7]、[8]。相比之下，碳材料作为典型的介电损耗吸收剂，由于其低密度、优异的化学稳定性和高电导率而受到了广泛的研究关注。然而，典型的基于碳的EMWA材料（如石墨烯和碳纳米管）存在制备工艺复杂和成本高昂的局限性，这阻碍了它们的大规模生产和应用[9]、[10]、[11]、[12]。因此，制备低成本且可再生的高性能基于碳的EMWA材料具有重要意义。

生物质材料具有丰富的可用性、低成本和可再生性，广泛应用于纺织、农业、能源和医药等领域。生物质衍生碳不仅保留了其前体的复杂天然孔结构，还表现出优异的电导率、化学稳定性和阻抗匹配性能。这些优势使得它们成为基于碳的EMWA材料的理想候选材料[13]、[14]、[15]、[16]。例如，Jing等人使用甲醛和KOH作为活化剂，从废弃大豆残渣中合成了多孔碳，在3.5毫米的厚度下实现了最低-18.5 dB的反射损耗值，以及4.8 GHz的有效吸收带宽[17]。Lin等人制备了由金属颗粒支撑在山竹叶衍生碳上的CoZnO@BPC复合材料，在1.7毫米的厚度下实现了最低-50.2 dB的反射损耗值和5.92 GHz的有效吸收带宽[18]。Zhang等人通过冷冻和热解羧甲基纤维素凝胶制备了氮掺杂碳气凝胶（NCCA20），当NCCA20的厚度为1.7毫米时，其反射损耗值达到了-39.4 dB，并实现了2.88 GHz的有效吸收带宽[19]。尽管生物质衍生碳材料已引起广泛关注，但通过简单、低成本和可扩展的制备方法开发出具有丰富孔结构的高性能吸波生物质基碳材料仍是一个挑战。

本文通过对废弃木材进行脱木质素处理，通过在不同温度下进行炭化，制备出了低成本、可大规模生产且具有三维层状多孔结构的处理后木材衍生碳（TC），并系统评估了其电磁波性能。结果表明，TC-800在2毫米的厚度下表现出最佳的电磁波吸收性能，最低反射损耗（RLmin）值为-40.2 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.8 GHz。这种优异的电磁波吸收性能主要归因于材料复杂的孔隙导电网络结构和适当的阻抗匹配，这些因素共同促进了电磁波的多次反射和散射，增强了介电和传导损耗，并促进了界面极化。本研究有望实现生物质废弃物的高价值回收，同时为低成本和大规模制备基于碳的EMWA材料提供新的研究思路。

材料

所有化学品均未经进一步纯化使用。所使用的废弃木材为椴木。NaOH和Na₂SO₃购自中国上海Titan Scientific有限公司。去离子水（DI）来自水净化系统。

样品合成

将废弃木材样品浸泡在500 mL的2 mol L^-1 NaOH和0.5 mol L^-1 Na₂SO₃混合溶液中，在90°C下加热10小时。处理后，用去离子水冲洗样品。然后将处理过的木材转移到500 mL的2.5 mol L^-1

结果与讨论

图1a展示了样品制备过程的示意图。废弃木材依次用NaOH/Na₂SO₃和H₂O₂处理以去除木质素和半纤维素，然后在不同温度（700°C、800°C和900°C）下进行炭化，得到一系列具有三维层状多孔结构的处理后木材衍生碳（TC）。如图S1a-b所示，展示了处理后的木材和炭化产物的照片。

结论

总结来说，通过从废弃木材中脱木质素和提取半纤维素，并精确控制炭化温度，制备出了三维层状多孔的木材衍生碳。对其电磁波吸收性能进行了系统研究。在所得样品中，TC-800在2毫米的厚度下实现了最低-40.2 dB的反射损耗（RL_min），表现出最佳的电磁波吸收性能。

未引用参考文献

[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。

CRediT作者贡献声明

余虎：形式分析、数据管理、概念构思。刘全鑫：项目管理、形式分析。陈伟：软件开发。于茂业：资源管理、项目管理。郭建中：软件开发、项目管理、方法学研究。陈一鸣：可视化处理、验证、监督、资金筹措。马晓凡：可视化处理、验证、监督、资金筹措。陈林：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、资金筹措。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金[LZYQ25C160001, LQ22E030016]、浙江农林大学科学研究基金[2022LFR026]、金华市公益技术应用研究项目[2024-4-007]以及中国博士后科学基金[2024 M762932]的支持。