《Materials Today Physics》：Interfacial Thermal Transport Analysis using Machine Learning Potential at AlN/Cu van der Waals Interface
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本研究采用微波辅助还原结合氮掺杂策略，以石墨氧化物为前驱体，在数秒内同步实现还原和氮掺杂，调控不同氮配置比例，优化介电损耗和导电损耗协同作用，制备出2.8mm厚、1wt%填料的高效轻质电磁波吸收材料，有效带宽7.44GHz（10.56-18.00GHz），RCS降低至-8.3dB·m2，为绿色高效制备轻质吸波材料提供新途径。
刘亚楠|蔡新瑞|张宇|刘雅青|刘亚星|张帆|刘江勇|苏晓刚
中国北方大学材料科学与工程学院，山西省功能聚合物复合材料重点实验室，太原市，030051，中华人民共和国
摘要
石墨烯凭借其卓越的导电性能和独特的二维层状纳米结构，成为制造下一代超轻高效电磁波（EMW）吸收剂的关键材料。然而，天然的石墨烯存在阻抗匹配不佳和电磁波反射强烈的问题，这严重限制了其实际应用。本研究提出了一种基于快速微波辅助还原和氮掺杂的策略，以实现轻质高性能氮掺杂氧化石墨烯（N/rGO）吸收剂的高效合成。通过使用氧化石墨烯（GO）作为前驱体，尿素、2-甲基咪唑和吡咯作为氮源，可在几秒钟内同时完成还原和掺杂过程。通过控制微波辐照时间，可以有效地调节氮的分布和材料的电磁特性。实验结果表明，样品NU/rGO-40在仅添加1 wt%填料且厚度为2.8 mm的情况下，展现出7.44 GHz（10.56–18.00 GHz）的超宽有效吸收带宽（EAB）。此外，其雷达截面积（RCS）降低了8.3 dB·m2。密度泛函理论（DFT）计算表明，不同氮分布的平衡调节能够协同优化导电损耗和极化损耗，这是显著提高材料阻抗匹配度和衰减能力的核心原因。本研究为高性能轻质EMW吸收剂的快速、节能和可规模化合成提供了新的见解。
引言
石墨烯具有独特的二维结构、卓越的导电性能、高比表面积和较低的密度，成为开发新一代轻质高效EMW吸收材料的有希望的候选材料，因此在应对日益严重的电磁干扰[1]、[2]、[3]、[4]、[5]以及信息泄露[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]问题方面展现出巨大潜力。然而，天然石墨烯极高的实部介电常数和单一的导电损耗机制导致其阻抗匹配较差，严重限制了其实际吸收性能和应用[12]、[13]。
为克服这一限制，许多先前的研究采用将石墨烯与磁性组分复合的方法。然而，这种方法通常会导致材料密度显著增加、制备过程复杂，并且在高温下容易使磁性性能下降。因此，开发主要依赖于介电损耗机制的改性策略已成为该领域的前沿方向。在这种情况下，非金属元素掺杂，特别是氮掺杂，已被证明是一种能够在原子层面调节石墨烯电子结构的工程方法[14]。由于氮原子与碳原子具有相似的原子半径和更高的电负性，氮原子的引入可以有效打破碳晶格的电荷对称性，引入大量缺陷和极化中心，增强偶极极化松弛损耗，并通过提供自由电荷载流子来调节导电性能。这为协同优化阻抗匹配和衰减能力提供了可能性[15]、[16]、[17]。更重要的是，不同的氮掺杂形式（吡啶氮、吡咯氮、石墨氮）对极化损耗和导电损耗有不同的影响：吡啶氮和吡咯氮倾向于引入晶格缺陷和局部偶极中心，显著增强偶极极化松弛损耗；石墨氮可以替代石墨烯晶格中的碳原子，提高电荷载流子的迁移率，从而增强导电损耗[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。因此，通过前驱体设计和合成过程优化来调控氮掺杂的形式和比例，是协同优化EMW吸收剂阻抗匹配和衰减能力的关键前提[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。
尽管氮掺杂策略前景广阔，但实现可控氮掺杂的合成方法（如化学气相沉积、高温氨处理）往往繁琐，需要苛刻的条件（高温、高压），并且难以实现均匀掺杂。这些限制不仅增加了生产成本，还限制了大规模生产，这成为满足工业对轻质高效EMW吸收器需求的重大障碍[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。因此，开发一种快速、高效、可规模化且环保的合成技术以调整氮掺杂形式变得十分迫切，以突破当前的研究瓶颈。在这方面，微波辅助合成技术凭借其体积加热、反应快速和高能效的独特优势，成为一种有前景的解决方案。它可以有效解决传统方法中苛刻条件和低效率的问题，为工业制备氮掺杂石墨烯吸收剂提供了可行的途径。
本研究结合了冷冻干燥和快速微波辅助还原技术。以氧化石墨烯（GO）为基质，尿素、2-甲基咪唑和吡咯作为氮源，通过几秒钟内的同步还原和氮掺杂，成功制备了一系列具有可调氮分布的氮掺杂石墨烯（N/rGO）材料。通过系统调节微波参数，深入研究了控制微观结构、氮掺杂类型和含量以及电磁参数的精确调控机制。借助密度泛函理论（DFT）计算，揭示了不同氮掺杂形式对极化损耗和导电损耗的差异贡献机制，阐明了石墨氮比例在平衡阻抗匹配和衰减能力中的关键作用。得益于优化的氮掺杂形式和独特的微观结构，制备的N/rGO复合材料在低填料添加量下表现出优异的轻质特性和宽带EMW吸收性能。这种微波驱动的高效还原策略具有操作简单、反应快速、能耗低和易于规模化等优点，为高性能吸收材料的大规模制备提供了新的途径。
材料
本研究中使用的10 mg/mL氧化石墨烯（GO）分散液由杭州高希科技有限公司提供。尿素、2-甲基咪唑和吡咯均来自中国国家医药集团有限公司。所有化学品均直接使用，无需进一步纯化。
通过微波还原制备N/rGO
首先，将10 mL浓度为3 mg/mL的GO分散液与含氮前驱体充分混合。然后使用细胞破碎机在特定条件下进行超声处理
形态与结构特征
图1(a)展示了N/rGO的超快制备过程示意图和微观结构。从均匀的N前驱体/GO开始，通过简单的超声分散和冻干方法合成后，经过微波辐照处理可获得N/rGO，在此过程中，GO的还原和氮掺杂同时完成。当使用尿素、2-甲基咪唑和吡咯作为氮源时，N
结论
本研究通过结合冷冻干燥和快速微波辅助还原的策略，成功实现了氧化石墨烯的高效还原和氮掺杂形式的精确调控。结果表明，微波时间和氮前驱体类型在诱导结构演变和调控氮分布方面起着决定性作用。具体而言，引入适量的氮不仅有效增强了电荷载流子的迁移
作者贡献声明
刘亚星：监督、方法论、概念化。刘雅青：写作 – 审稿与编辑、资源获取、方法论、资金申请。苏晓刚：写作 – 审稿与编辑、监督、资源获取、资金申请。刘亚楠：写作 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、方法论、数据管理。蔡新瑞：验证、软件使用、数据管理。张宇：可视化、软件使用、数据管理。刘江勇：写作 – 审稿与编辑、可视化
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢山西省1331项目聚合物功能新材料创新团队、山西省新材料产业创新学科组、太原国家超级计算中心、《中国博士后科学基金会》（资助编号：2024M764319）、山西省重点研发计划（202302040201007）、以及山西省人工结构功能材料与器件重点实验室的基础研究基金的支持
