《Resources Chemicals and Materials》：Lightweight Zeolitic Imidazolate Framework-67@Loofah-Derived Carbon Composites with Hierarchical Porous Architecture for Multifunctional Applications
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电磁干扰（EMI）近年日益严重，可能对家用电子设备的运行产生不利影响，例如通信中断和控制系统故障。此外，长期暴露于电磁辐射还可能对人体健康产生负面影响。为此，研究人员开发了包括金属及金属氧化物、聚合物复合材料和碳基材料在内的EMI屏蔽材料。金属基材料具有高导电
电磁干扰（EMI）近年日益严重，可能对家用电子设备的运行产生不利影响，例如通信中断和控制系统故障。此外，长期暴露于电磁辐射还可能对人体健康产生负面影响。为此，研究人员开发了包括金属及金属氧化物、聚合物复合材料和碳基材料在内的EMI屏蔽材料。金属基材料具有高导电导热性，因而被广泛用于电磁干扰屏蔽，但难以加工且在使用中易腐蚀。新型聚合物基材料轻质且耐化学腐蚀、耐候、物理性能良好，但其制备工艺复杂、成本高，且所得材料往往不可回收。相比之下，碳基材料因具有丰富的多级孔结构和可持续来源而成为有前景的电磁屏蔽材料。碳基材料具有高比表面积、低密度和发达孔结构，这在宏观三维多孔碳架构中尤为突出，例如碳纳米管（CNT）海绵、石墨烯泡沫和碳气凝胶。这些特性可显著提高材料在EMI屏蔽应用中的微波能量耗散。碳基材料主要通过碳纳米材料自组装或化学气相沉积制备，其内部多孔结构反射和吸收电磁波，赋予材料优异的EMI屏蔽性能；然而它们通常采用自下而上技术制造，效率低、复杂且常涉及有毒化学品，难以满足可持续发展目标。来自木材或竹材等可再生资源的天然蜂窝状三维多孔结构可用作骨架模板，经碳化形成一体化导电骨架，该策略为构建生物质碳基EMI屏蔽材料提供了有前景的途径。多孔结构和丰富的内部界面促进电磁波进入，导致反复散射和反射，从而提高电磁能量耗散；然而这些生物质基多孔碳材料常因高电导率引起阻抗不连续和单一屏蔽机制而遭受电磁波二次污染。将Ni纳米线、Fe3O4纳米颗粒或金属有机框架（MOFs）等磁性填料嵌入碳骨架，可通过增强电损耗和磁损耗显著改善电磁屏蔽性能。包括Co/C、Fe/C和CoFe/C在内的碳-金属复合材料受益于均匀分散的磁性纳米颗粒、丰富缺陷位点和多相界面，可促进介电极化和磁损耗。Ma等通过热解ZIF-67/木材复合材料制备了Co/C@WC复合材料，其中钴纳米颗粒均匀分散于木材衍生碳网络中，其屏蔽性能主要源于介电损耗和磁损耗协同作用的协同效应。Fan等进一步证明轻质MXene/石墨烯杂化泡沫中互连多孔导电网络可有效增强EMI屏蔽性能。然而，大多数先前报道的碳基复合材料使用木材或竹材作为碳骨架模板，产生致密结构严重限制MOF前驱体负载；此外这些复合材料通常通过MOF与碳骨架的异位物理混合制备，导致MOF与生物质基底之间相互作用弱，且高温碳化过程中磁性颗粒聚集，严重破坏碳基复合材料中电磁网络结构的连续性，限制电磁屏蔽效能。丝瓜在中国广泛种植，取自丝瓜成熟干燥果实的维管束，其长而扭曲的微纤维连接平行亚纳米至微米级通道形成三维多孔网络；此外纤维素骨架表面具有大量羟基，作为丰富活性位点促进MOF原位生长。丝瓜纤维素骨架具有由交织纤维形成的大孔以及每根纤维内有有序蜂窝状微通道，这种多尺度孔结构为多次反射创造了理想条件。因此，通过原位生长策略将MOF与层级丝瓜骨架整合，对开发轻质、高效、多功能碳基EMI屏蔽复合材料具有重大意义。近期研究表明碳基材料的电磁性能强烈受碳化过程影响，因为热解过程中导电网络、孔结构和磁性相的演变直接影响其介电和磁响应。例如Liu等通过微波碳化制备含Co/CoO的木质素衍生碳材料，表明碳基体与钴基磁性组分之间的协同增强了电磁波衰减；类似地，磁性颗粒改性玻璃纤维增强环氧废弃物碳化产生具有改善阻抗匹配和微波衰减的碳/磁性杂化结构。近期综述进一步强调前驱体结构、碳化条件、电导率、孔隙率和磁性组分是主导碳化聚合物衍生材料电磁响应的关键因素。这些研究表明合理控制碳化过程对于平衡生物质衍生电磁材料的导电、磁性和多孔特性至关重要。在本工作中，研究人员开发了超薄、轻质、多功能的Co-C@LC复合材料用于EMI屏蔽应用。这些复合材料的合成涉及ZIF-67在TEMPO氧化丝瓜衍生骨架上的原位成核，随后进行热压和碳化。与直接碳化获得的普通碳材料不同，Co-C@LC前驱体在热解前含有预组织的ZIF-67@TL架构；因此即使在700°C碳化的复合材料也保留了源自层级丝瓜骨架和原位生长ZIF-67相的结构特征。碳化后，连续丝瓜衍生碳骨架和ZIF-67衍生含Co相共同调控复合材料的电学、磁性和多孔特性。因此，Co-C@LC复合材料在仅0.35 mm的极低厚度下实现了58.72 dB的优异EMI屏蔽效能（SE），该SE值对应超过99.999%的电磁波衰减效率，同时比屏蔽效能（SSE/t）达到6538.89 dB·cm2·g?1。此外复合材料表现出快速电热响应，施加3.0 V电压时材料表面温度升至62.5 °C。ZIF-67的引入进一步赋予Co-C@LC复合材料强抗菌活性。为模拟实际应用，研究人员制备了手机屏蔽装置、壁纸、地板和智能床屏蔽装置样品，实现了电磁屏蔽和高效加热。这种由天然丝瓜开发的超薄膜材料为非可再生电磁屏蔽材料提供了替代方案。
研究背景方面，电磁干扰（EMI）日益严重，可影响家用电子设备运行并危害人体健康，而现有金属基、聚合物基和碳基屏蔽材料分别存在难加工易腐蚀、工艺复杂成本高不可回收、制备效率低且常涉及有毒化学品等问题。生物质多孔碳虽具潜力，但存在阻抗不连续、屏蔽机制单一及MOF负载受限、异位混合导致网络不连续等缺陷。丝瓜具有天然三维多孔网络和丰富表面羟基，利于MOF原位生长，因此研究人员开展本研究。研究人员以天然丝瓜为三维多孔骨架，经TEMPO氧化、ZIF-67原位生长、热压和高温碳化制备了轻质多功能Co-C@LC复合材料，得出连续导电碳骨架、层级多孔结构和ZIF-67衍生含Co相协同贡献优异电磁屏蔽性能的结论，Co-C@LC-900在仅0.35 mm厚度和0.25 g·cm?3密度下于X波段实现58.72 dB的平均SE，对应SSE/t为6538.89 dB·cm2·g?1，并在8.2–28 GHz保持高性能，同时具有快速稳定焦耳热性能（3 V下约62.5 °C）、改善的阻燃性和对大肠杆菌与金黄色葡萄球菌的良好抗菌活性。这些综合性能表明丝瓜衍生Co-C@LC复合材料为在智能家居、电子设备和建筑装饰应用中集成轻质电磁屏蔽、热管理和多功能性提供了有前景的策略，为非可再生电磁屏蔽材料提供了替代方案。论文发表在《Resources Chemicals and Materials》。
在技术方法上，研究人员以来源于中国安徽省六安市的天然丝瓜为原料，经亚氯酸钠和乙酸脱木质素后采用TEMPO氧化制备氧化丝瓜（TL），通过调控原位生长时间（6–48 h）使ZIF-67在TL表面原位成核生长，经85 °C、4 MPa热压后于氮气氛下以两步升温程序碳化（300 °C预烧后升至700–1000 °C），并设置Loofah-900、TL-900和ZIF-67-900对照样品；采用SEM、EDS、FTIR、XRD、拉曼光谱、XPS、TGA、BET、振动样品磁强计和电导率测试等进行结构与性能表征，通过矢量网络分析仪评价X波段及8.2–28 GHz的EMI屏蔽性能，并开展焦耳热、阻燃、抗菌及COMSOL电磁仿真和智能家居场景演示。
研究结果方面，在"Co-C@LC复合材料的制备过程与结构表征"中，研究人员通过FTIR、XRD、SEM、EDS和XPS等表征证实脱木质素使木质素含量由14.33%降至5.45%、TEMPO氧化使羧基含量由0.277增至0.521 mmol/g，ZIF-67在24 h原位生长时呈约500 nm规则立方形态且均匀分布，碳化后Co颗粒缩小至约300 nm，随碳化温度由700升至1000 °C，ID/IG由1.11降至0.82，电导率由1.5升至16.35 S·cm?1，饱和磁化强度由13.47升至20.23 emu/g，Co-C@LC-900具有最大比表面积317.34 m2·g?1和最大总孔容0.276 cm3·g?1，表观密度由0.28降至0.25 g·cm?3，表明900 °C碳化在导电、磁性与多孔结构间取得最佳平衡。在"电磁干扰屏蔽性能与机制"中，研究人员通过矢量网络分析测试表明Co-C@LC-900在0.35 mm厚度下SET达58.72 dB，SSE/t达6538.89 dB·cm2·g?1，反射系数R远高于吸收系数A，屏蔽以反射为主导，厚度增至0.65 mm时SET升至70.16 dB，8.2–28 GHz范围内X波段、Ku波段和18–28 GHz平均SET分别约为58.72、66.00和73.62 dB，并通过特斯拉线圈、无线充电、灯泡及智能家居模型演示验证了近场屏蔽效果，COMSOL仿真进一步证实电场和磁场强度显著衰减。在"多功能性能与实际应用演示"中，研究人员通过焦耳热测试表明材料在1–5 V下10 s内快速升温，5 V时达159.0 °C且稳态温度与U2线性拟合R2=0.98，7000 s长时间加热和10次循环后温度稳定，3 V下木质房屋模型地板达62 °C；通过极限氧指数和直接火焰暴露测试表明LOI由丝瓜的22.1%升至Loofah-900的26.7%和Co-C@LC-900的28.7%，Co-C@LC-900在180 s火焰暴露后仍保持较好结构完整性；通过抑菌圈测试表明随原位生长时间增加抗菌活性增强，24 h样品对大肠杆菌抑菌圈由1.44 mm增至2.85 mm（提高近98%），对金黄色葡萄球菌由0.55 mm增至2.94 mm（提高逾四倍），且对革兰氏阳性菌抑制 generally 更强。
讨论部分，研究人员将Co-C@LC-900的SSE/t与已报道的生物基EMI屏蔽材料进行比较，表明其优于部分性能最佳的生物基复合材料；指出热压和碳化形成的高度石墨化层状结构实现层间反射损耗，金属钴可能催化碳的石墨化；并分析碳化温度对导电性、石墨化度、饱和磁化强度、比表面积和孔容的影响，指出1000 °C时SET略降可能与多孔骨架收缩或部分坍塌有关。研究结论部分翻译如下：本研究以天然丝瓜为三维多孔骨架，经TEMPO氧化、ZIF-67原位生长、热压和高温碳化开发了一种轻质多功能Co-C@LC复合材料。连续导电碳骨架、层级多孔结构和ZIF-67衍生含Co相共同贡献了优异的电磁屏蔽性能。Co-C@LC-900在仅0.35 mm厚度和0.25 g·cm?3密度下于X波段实现最高平均SET为58.72 dB，对应SSE/t为6538.89 dB·cm2·g?1，并在8.2–28 GHz范围内保持高EMI屏蔽性能。此外，该复合材料表现出快速稳定的焦耳热性能，3 V下达到约62.5 °C，并具有改善的阻燃性以及对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的良好抗菌活性。这些综合性能表明，丝瓜衍生Co-C@LC复合材料为在智能家居、电子设备和建筑装饰应用中集成轻质电磁屏蔽、热管理和多功能性提供了一种有前景的策略。
