多尺度Co-MOF衍生Co-N/C@石墨烯杂化气凝胶的电磁波吸收性能调控与机制研究

为应对5G时代电磁污染难题，研究人员通过调控Co-MOF前驱体尺寸，成功构建多尺度Co-N/C@石墨烯杂化气凝胶（CNGA）。该材料在20 wt%低填充率下实现-46.8 dB强反射损耗和5.3 GHz宽吸收带宽，揭示了尺寸效应与电磁参数（εr/μr）的关联性，为轻量化电磁波吸收材料设计提供新范式。

　　

随着5G技术、无线通信和人工智能的迅猛发展，电磁波（EMW）辐射污染已成为威胁电子设备安全和人体健康的重要问题。传统电磁波吸收材料往往面临填充率高、吸收效率低、频带窄等挑战，而金属有机框架（MOF）衍生材料因其可调控的孔隙结构和均匀分散的金属组分展现出独特优势。然而，现有MOF衍生材料普遍存在碳石墨化程度不足、填充率需超过30 wt%才能有效吸收的瓶颈，严重制约了轻量化应用。

针对这一难题，中国某研究团队创新性地提出通过调控MOF前驱体尺寸来优化材料性能的策略。研究人员以多尺度ZIF-67（一种钴基MOF）为前驱体，通过热解获得纳米至微米级的Co@纳米多孔碳（NPC）颗粒，再与石墨烯片复合构建三维杂化气凝胶（CNGA）。该工作系统研究了Co-MOF衍生颗粒尺寸对材料电磁参数（ε_r和μ_r）的影响规律，最终在《Synthetic Metals》发表了题为"Multi-scale Co-MOF derived Co-N/C@graphene hybrid aerogel for effective electromagnetic wave absorption"的研究成果。

关键技术方法包括：1）通过调节Co(NO₃)₂·6H₂O与2-甲基咪唑摩尔比制备多尺度ZIF-67前驱体；2）惰性气氛热解获得Co@NPC衍生颗粒；3）水热自组装结合冷冻干燥技术构建三维石墨烯杂化气凝胶；4）矢量网络分析仪测试2.0-18.0 GHz频段电磁参数。

研究结果显示：

1. 形貌表征：SEM证实成功制备了50 nm至1 μm不同尺寸的ZIF-67衍生颗粒，TEM显示纳米级Co颗粒均匀嵌入碳基质中，元素映射证实Co、N、C的均匀分布。
2. 电磁性能：纳米级ZIF-67衍生的CNGA3在20 wt%填充率下表现最优，反射损耗（RL_min）达-46.8 dB（10.4 GHz，2.7 mm），有效吸收带宽（EAB_max）达5.3 GHz（2.1 mm），显著优于微米级样品。
3. 机理分析：小尺寸效应增强界面极化损耗，适度填充率优化阻抗匹配，石墨烯网络提供导电损耗通道，三者协同实现高效宽频吸收。

结论与讨论部分指出，该研究首次建立了Co-MOF衍生颗粒尺寸与杂化气凝胶电磁参数的定量关系，突破传统MOF材料高填充率限制。通过尺寸工程在20 wt%低填充率下实现强吸收（<-40 dB）和宽频带（>5 GHz）的罕见组合，其性能优于文献报道的Co/C-500（-35.3 dB）、Fe₃O₄@C（-65.5 dB但需40 wt%）等体系。这项工作不仅为轻量化电磁波吸收材料设计提供新思路，其多尺度调控策略还可拓展至其他MOF基功能材料开发。

值得注意的是，作者团队在CRediT贡献声明中明确分工：Ran Xu负责概念提出、实验设计和论文撰写；Xiaohai Bu完成主要实验；Man He和Shuangjiang Feng参与数据分析和论文修订；Yongjuan Wang负责项目监督；Yuming Zhou提供资金支持。该研究获得国家自然科学基金（32171725，52173158）和江苏省重点研发计划（BE2021081）资助。