核壳结构ZnFe2O4/CG@PPy复合材料：电磁参数可调谐的频率选择性微波吸收材料

为应对5G时代电磁污染与工业固废资源化难题，研究人员通过水热法和化学氧化聚合法构建了核壳结构ZnFe2O4/CG@PPy（ZCP）复合材料。该材料通过调控PPy包覆层厚度和ZnFe2O4磁性组分，实现导电损耗、介电损耗与磁损耗协同增强，在2.3 mm厚度下获得6.1 GHz有效吸收带宽和-79.5 dB最小反射损耗，为开发频率选择性电磁波吸收器提供新策略。

　　

随着5G通信技术的全球普及，电磁污染已成为威胁电子设备安全和人体健康的新型环境问题。传统铁氧体吸波材料虽能有效屏蔽电磁波，但其高密度、低电阻率的特性限制了实际应用。与此同时，煤炭开采产生的煤矸石（CG）堆积如山，其年产生量与利用率的严重失衡导致土地资源占用和生态环境破坏。如何将这两种看似不相关的环境挑战转化为协同解决方案？安徽理工大学的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表的研究给出了创新答案。

研究团队采用水热法和化学氧化聚合法，首次将具有层状结构的CG、磁性ZnFe₂O₄纳米颗粒和导电聚合物聚吡咯（PPy）复合，构建出核壳结构ZnFe₂O₄/CG@PPy（ZCP）复合材料。通过调控PPy包覆比例（20%优化值），在保持材料轻质特性的同时，实现了电磁参数的可控调节。宁夏矿区提供的CG原料经球磨处理后，与锌铁前驱体通过水热反应生成ZnFe₂O₄/CG中间体，再通过氧化聚合包覆PPy外壳。X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）证实了核壳结构的成功构建，矢量网络分析仪则用于电磁参数测试。

材料表征
XRD图谱显示ZnFe₂O₄的特征峰（2θ=35.5°对应311晶面）与CG中SiO₂峰（26.6°）共存，PPy的非晶包覆层形成15°-35°的宽弥散峰。TEM观察到ZnFe₂O₄纳米颗粒（10-20 nm）均匀分布在CG层间，PPy外壳厚度约15 nm，形成清晰的核壳界面。

电磁性能
通过调节PPy含量（5%-30%），材料的电导率呈现先增后降趋势，20%PPy的CP-2-20%样品在2.3 mm厚度时表现出最优性能：有效吸收带宽（EAB）达6.1 GHz（覆盖C至Ku波段），最小反射损耗（RL）为-79.5 dB。磁性测试显示ZnFe₂O₄的引入使饱和磁化强度达28.6 emu/g，通过自然共振和交换共振效应增强磁损耗。

机理分析
第一性原理计算表明，ZnFe₂O₄在CG表面生长时形成氧空位缺陷，这些点缺陷作为偶极极化中心提升介电损耗。PPy外壳不仅提高电导率（导电损耗），其与CG/ZnFe₂O₄形成的异质界面还产生界面极化效应。三者协同作用使电磁波能量转化为热能耗散。

这项研究开创性地将工业固废转化为高性能电磁功能材料，CP-2-20%复合材料在X波段（8-12 GHz）和Ka波段（26-40 GHz）均表现出频率选择性吸收特性。其意义不仅在于解决了电磁污染控制难题，更开辟了"以废治污"的新范式——通过调控CG的导电性、引入磁性组分和设计分级结构，实现了电磁参数的可编程设计。该成果为下一代智能电磁防护材料的开发提供了理论依据和技术支撑，同时为工业固废高值化利用树立了典范。