Cu/ZnO纳米颗粒协同增强木质素衍生碳基复合材料的电磁波吸收性能研究

随着5G和物联网(IoT)技术的普及，传统电磁屏蔽方法易引发信号自干扰问题。本研究通过自组装沉淀和原位高温热解法，开发了负载Cu/ZnO纳米颗粒的木质素衍生碳基复合材料(ZCLC)，其反射损耗(RLmin)达-46.45 dB，有效吸收带宽(EAB)为7.52 GHz，为低成本高效电磁波吸收材料(EMA)设计提供了新思路。

　　

在5G和物联网(IoT)技术迅猛发展的今天，电磁污染和信号干扰已成为制约通信质量的瓶颈问题。传统金属屏蔽材料会反射电磁波造成二次污染，而军事领域对雷达隐身技术的需求也日益迫切。如何开发兼具高效吸收和轻量化特性的材料，成为当前电磁波吸收材料(EMA)研究的核心挑战。

甘肃高校产业支撑计划项目(2024CYZC-57)和国家自然科学基金(52167003)支持的研究团队创新性地将目光投向造纸工业副产品——木质素。这种富含芳香环结构的天然高分子，经改性后可形成具有分级孔隙的碳基体。研究人员通过自组装沉淀和原位高温热解法，将铜(Cu)和氧化锌(ZnO)纳米颗粒精准负载于木质素衍生碳骨架，构建出ZnO-Cu@木质素碳(ZCLC)复合材料。

研究采用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)确认了纳米颗粒的晶体结构和分散性，通过矢量网络分析仪测试电磁参数。结果发现：ZnO与碳界面产生的偶极极化，协同Cu纳米颗粒的导电损耗，使材料在Ku波段(17.52 GHz)实现-46.45 dB的反射损耗，有效吸收带宽覆盖7.52 GHz。分级多孔结构通过多重反射进一步延长电磁波传播路径。

【Microstructure and morphology of composites】
羧甲基化改性使木质素表面富含羧基，通过配位作用固定Zn²⁺/Cu²⁺前驱体。热解过程中金属离子原位还原为20-50 nm的纳米颗粒，均匀镶嵌于石墨化碳层间，形成"核-壳"结构。

【Conclusions】
该研究证实木质素衍生碳的介电常数可通过金属氧化物/碳界面调控，ZnO的宽禁带特性有效平衡了阻抗匹配与损耗能力。相比传统铁氧体材料，ZCLC具有密度低(1.2 g/cm³)、吸收强(-46.45 dB)、带宽大(7.52 GHz)等优势，为开发新一代EMA提供了绿色解决方案。

论文发表于《Journal of Alloys and Compounds》，其重要意义在于：首次揭示Cu/ZnO协同增强木质素碳电磁损耗的机制，为生物质基功能材料设计开辟新途径。这种"以废治污"的策略，既解决了造纸废料的资源化利用问题，又为5G时代的电磁安全防护提供了创新材料体系。