利用闪光焦耳加热技术，可以从废弃棉织物中制备MoS2/碳复合材料，并通过调节材料界面来提升其对电磁波的吸收性能

《Journal of Materials Science & Technology》：Flash Joule heating enabling MoS2/carbon composites from waste cotton fabric with tunable interfaces for electromagnetic wave absorption

　　

陈晨王|钟子杰|胡传双|杨军达|李继昌|林秀仪|周永辉|张薇薇|徐江涛

中国农业与农村事务部设施农业先进材料重点实验室，华南农业大学未来生物质学院，广州510642，中国

摘要

由于导电性过强或极化损耗不足，碳吸收剂常常表现出阻抗不匹配问题，从而限制了其对宽带电磁波（EMW）的吸收能力。本研究通过水热生长和闪蒸焦耳加热（FJH）技术，利用废弃棉织物制备了MoS₂/碳（MoS₂/C）复合材料。水热处理调节了MoS₂的形成和界面密度，而FJH处理则控制了碳的有序结构。这种双温度策略实现了极化松弛和导电损耗的协同调控。优化后的样品在8.59 GHz频率下实现了最低反射损耗（-51.04 dB）。CST模拟显示其雷达截面积减少了26.1 dB m²。此外，用该复合材料封装的近场通信标签在外部电磁干扰下仍能保持通信功能。本研究为将废弃纺织品转化为高性能EMW吸收剂提供了可扩展的方法。

引言

随着电子设备和雷达系统的广泛使用，电磁污染已成为日益严重的问题。过量的电磁波（EMW）辐射会干扰电子设备，威胁信息安全和人类健康[1,2]。因此，开发高性能的电磁波吸收（EMWA）材料对于减轻电磁污染至关重要。理想的EMWA材料应具备强吸收能力、宽吸收带宽（EAB）、低密度和薄匹配厚度[3]。

目前，EMWA材料主要分为磁性金属/氧化物[[4], [5], [6]]、半导体[7,8]和碳基材料[[9], [10], [11], [12]]。虽然这些材料近年表现出良好的EMWA性能，但碳基复合材料通过导电性调节和异质界面工程可以同时优化阻抗匹配和衰减特性，具有广泛应用前景[13,14]。然而，许多先进的碳吸收剂（尤其是基于石墨烯和碳纳米管的材料）仍依赖昂贵且复杂的合成工艺，限制了其大规模应用。因此，低成本、可从废弃物中提取的碳前驱体受到了越来越多的关注[15], [16], [17], [18]。废弃棉织物因其丰富性、可再生性和天然纤维结构而具有特别优势[16,19]。经过碳化后，其相互连接的一维纤维网络和丰富的表面功能可转化为导电网络和功能性负载的连续碳框架。基于废弃棉织物的吸收剂已展现出显著的EMWA潜力，报道的最小反射损耗（RL_min值约为-20至-42 dB[16,19,20]。龚的研究团队发现，由废弃棉制成的Ni改性多孔碳的RL_min为-40.5 dB[19]，而空心棉纤维衍生的RGO/Ni/C复合材料的RL_min为-39.3 dB，EAB为4.6 GHz[20]。不过，其EAB仍有限，且性能受厚度和填充物含量的影响较大。这一限制主要源于过高的导电损耗，它缩小了阻抗匹配窗口并抑制了界面极化。最新研究表明，空心结构、分层界面和缺陷调控对于拓宽匹配窗口和提高宽带衰减效果至关重要。例如，具有内部空腔和丰富异质结的空心碳微球实现了RL_min-40 dB和EAB超过5 GHz[21]；涂覆超细Co纳米颗粒和结构缺陷的碳纳米纤维的RL_min为-51.0 dB，EAB为7.33 GHz[22]。

在基于纤维的碳体系中引入极化活性第二相是提高EMWA性能的有效途径，可以增强界面极化和优化阻抗匹配[23,24]。MoS₂提供了丰富的异质界面、边缘/缺陷位点以及可调的1T/2H相结构，这些都对界面和偶极极化有益[25,26]。关于MoS₂/石墨烯复合材料的研究表明，富含1T相的混合物可以利用多维传输通道和丰富的异质界面，实现协同极化/导电效应[25]。特别是，锚定在N掺杂还原氧化石墨烯上的1T-MoS₂花瓣实现了RL_min-52.24 dB[27]。然而，MoS₂在高温处理过程中容易发生团聚和结构降解，而传统的物理混合或后处理方法通常无法确保其在碳框架中的均匀分布和稳定锚定。赵等人开发了一种基于过渡金属二元硫属化合物的吸收剂，通过将1D/2D VS₂与石墨烯纳米片结合，实现了RL_min-49.83 dB，这得益于衰减能力和阻抗匹配的协同增强[28]。另一种空心多金属离子掺杂的Zn_1?xCo_{2?yNixFeyO4尖晶石吸收剂的RLmin达到了-57.6 dB，EAB为10.27 GHz，这凸显了协同优化结构设计和成分调节对于实现超轻质和宽带吸收的重要性[29]。因此，有必要开发一种基于废弃棉材料的MoS2/碳（MoS2/C）体系，其中极化活性界面和碳导电网络可以独立且协同地调控。}

本研究采用双温度策略，通过原位水热生长和闪蒸焦耳加热（FJH）技术，从废弃棉织物制备了MoS₂/C复合材料。水热步骤调控MoS₂的成核和生长，而FJH快速使纤维素骨架碳化并调节碳骨架的导电性。这种设计使得极化活性界面和导电通道可以分别调节但又相互配合，使得优化后的复合材料在8.59 GHz下的RL_min达到-51.04 dB。CST模拟和近场通信（NFC）封装测试进一步证实了其雷达截面积（RCS）的减小和电磁屏蔽能力。本研究为将废弃纺织品转化为高性能EMW吸收剂提供了可扩展的方法。

节摘

实验部分

详细实验步骤见补充材料。

棉织物衍生MoS₂/C复合材料的制备与表征

为解决高温碳化过程中导电网络演化与纤维尺度上稳定极化界面构建之间的矛盾，我们设计了双温度调控策略，目标如下：i) 保持高度多孔、三维互连的纤维结构，以增强电磁波的多次反射和散射；ii) 协同调控原位MoS₂的形成和导电碳骨架的演化

结论

总之，通过原位水热生长MoS₂再经过FJH碳化制备了废弃棉织物衍生的MoS₂/C复合材料。水热和FJH温度共同调节了MoS₂的生长、异质界面密度和碳微观结构，从而获得了具有互连纤维网络、丰富MoS₂/C异质界面和分层微间隙的优化复合材料。这些结构特征促进了电磁能量的多次散射和高效吸收

CRediT作者贡献声明

陈晨王：写作——审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、方法论设计、数据整理。钟子杰：软件开发、方法论设计。胡传双：写作——审稿与编辑、资源获取、方法论设计、资金申请。杨军达：软件开发、方法论设计。李继昌：方法论设计。林秀仪：资源获取、方法论设计、资金申请。周永辉：指导工作、方法论设计。张薇薇：指导工作、方法论设计。徐江涛：写作——审稿与编辑、方法论设计、资金申请

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢广东省林业科学技术计划项目（编号2025-GDFS-KJ-04）、国家重点研发计划（编号2024YFD2201504）以及广东省林业科技创新项目（编号2024KJCX003）的支持和资助。