五角形YbCoO3在rGO气凝胶中诱导的异质界面工程，用于实现轻质宽频微波吸收及多功能性

《Journal of Energy Chemistry》：Pentagonal YbCoO3-induced heterointerface engineering in rGO aerogels toward lightweight broadband microwave absorption and multifunctionality

　　

摘要

由于难以协同调控界面极化、导电网络以及分级多孔结构，开发既能高效吸收电磁波又具备多种功能的超轻气凝胶仍面临挑战。本研究提出了一种原位生长策略，用于构建富含界面的YbCoO₃/还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶，其中五边形结构的YbCoO₃单元在三维rGO框架中原位生成并固定。这种结构可精确调控异质界面密度、导电路径以及孔隙率，从而优化阻抗匹配并提升电磁波衰减效果。此外，引入具有局域4f电子的Yb³⁺离子可产生强烈的自旋-轨道耦合和磁各向异性，有助于实现高频磁共振效应并提升磁损耗。因此，经过优化的YbCoO₃/rGO气凝胶（Ybr-3样品）在厚度为2.2毫米时，其在3.2毫米波长处的最小反射损耗可达?62.4 dB，且具有10.0 GHz（8–18 GHz）的超宽有效吸收带宽，同时保持着0.0047 g/cm³的超低密度以及5 wt%的低填料含量。另外，其雷达截面积也显著降低（约40 dB m²），进一步证明了其出色的电磁波衰减能力。该分级多孔结构还赋予了材料隔热以及高效去除染料等多种功能。机理分析表明，材料的优异性能源于界面极化、导电损耗、磁共振效应以及多次散射之间的协同作用，而4f-3d电子相互作用以及富含界面的多孔结构则进一步强化了这些效应。本研究表明，将原位生长带来的结构调控与稀土元素的电子调控相结合，为设计具有宽带电磁波吸收功能及多种功能的超轻材料提供了有效途径。

引言

在材料科学领域，设计能够同时具备电磁波衰减功能及其他物理化学特性的多功能材料一直备受关注，因为界面效应和结构组织对材料的整体性能起着关键作用[1]。在实际应用环境中，如电子设备与工业系统中，电磁干扰、热量积聚以及废水污染等问题往往同时存在，这就需要能够同时应对多种挑战的材料。然而，要在保持环境功能的同时确保材料在不同电磁波频段内的兼容性，仍然是一项艰巨任务。这主要是因为在一个系统中需要协调电荷传输、热传递以及界面吸附等多种过程[2]。尽管在优化微波吸收或隔热等单一性能方面已取得一定进展，但要同时实现电磁波耗散[3]、红外热管理[4]以及水净化[5]等功能仍十分困难。这些限制主要源于电导率、隔热性能以及表面化学性质之间的相互矛盾。因此，目前亟需能够协调多种传输与耗散过程，并实现协同功能而非简单组合的策略。

还原氧化石墨烯（rGO）气凝胶由于其相互连接的导电网络以及高度多孔的结构，为解决这些问题提供了良好的平台[6]。这类气凝胶的框架可通过导电损耗和界面极化来实现电磁波衰减[7]，而其多孔结构则有助于减少热量传递[8]，同时还为吸附和过滤提供了合适的场所[9]。不过，天然的rGO气凝胶往往存在石墨烯片层重新堆叠的问题，且对异质界面的控制能力有限，这会削弱材料的介电、导热以及吸附性能之间的关联。稀土氧化物则具有独特的介电和磁性特性，因此有望用于实现功能的整合。然而，目前大多数关于稀土氧化物/rGO复合材料的研究[10]、[11]都是通过添加纳米颗粒来实现，这类氧化物颗粒只是简单地固定在石墨烯框架上，导致界面相互作用较弱，协同效应也不明显。因此，调控界面相互作用对于提升这类材料的整体性能至关重要。

YbCoO₃是一种具有正交结构（空间群为）的钙钛矿型钴酸盐，近年来因过渡金属3d电子与稀土4f态之间的相互作用而受到关注[12]、[13]。Yb³⁺离子的局域4f轨道具有强烈的自旋-轨道耦合效应，这有助于产生磁各向异性以及高频磁响应。与传统的过渡金属氧化物相比，Yb³⁺离子使得磁性能的调控更具灵活性。此外，CoO₆八面体与Yb³⁺离子之间的相互作用有助于促进电子转移，进而改善材料的电荷传输性能[14]。这些特性使得YbCoO₃成为提升材料磁损耗和介电损耗的理想候选材料。不过，由于其界面结构与组织结构难以得到有效控制，其在轻质多孔体系中的应用性能仍较为有限。

为了解决这些问题，本研究提出了一种与传统分散法不同的原位生长策略。在该策略中，五边形结构的YbCoO₃单元在三维rGO框架中直接原位生成并固定，从而形成大量的异质界面以及连续的导电路径，这些结构可以有效抑制石墨烯片层的重新堆叠，同时形成富含界面的区域，进一步提升极化损耗。此外，这种气凝胶还具有隔热以及去除染料的功能。因此，该设计为打造兼具超轻特性和微波吸收功能的多元化功能材料提供了一种可行的方案。

章节要点

所用化学品

中国的南京仙丰纳米材料科技有限公司提供了氧化石墨烯（GO）。中国的北京昊科有限公司则提供了水合硝酸镱（Yb(NO₃)₃·6H₂O，纯度≥99.99%）以及六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O，纯度≥99.99%）。中国的上海阿拉丁生化科技有限公司则提供了乙二胺（EDA）以及亚甲蓝。

YbCoO₃/rGO气凝胶的制备过程

如图1(a)所示，YbCoO₃/rGO气凝胶是通过水热法合成，随后经过冷冻干燥和碳化处理而得到的。首先，取40毫克

YbCoO₃/rGO气凝胶的相组成与微观结构

从宏观形态上看，YbCoO₃/rGO气凝胶呈现出独立的整体结构，其密度极低，仅为0.0047 g/cm³（见图1a），这说明该材料具有高度发达的三维多孔结构。其微观结构的变化可以通过扫描电子显微镜图像来观察（见图1b–e）。在Ybr?1样品中，YbCoO₃颗粒在三维rGO网络中分布较为稀疏。Ybr?2样品则出现了颗粒开始聚集的现象，部分颗粒被rGO层包裹。而Ybr?3样品

结论

通过采用原位生长策略，本研究成功制备出了超轻的YbCoO₃/rGO气凝胶，该材料在3.2毫米波长处的最小反射损耗可达?62.4 dB，而在2.2毫米厚度时则具有10.0 GHz的超宽有效吸收带宽。如此优异的性能得益于富含异质界面的结构与电子结构调控之间的协同作用。通过引入五边形结构的YbCoO₃单元，可以精确控制界面的分布、导电网络以及分级多孔结构的特点，

作者贡献说明

魏汉军：负责文章的审阅与编辑工作，以及初稿的撰写。陈志勇：负责数据整理以及概念构思工作。赖玉祥：负责方法设计以及定量分析工作。陈思宇：负责软件应用以及方法研究工作。唐璐：负责结果验证以及数据整理工作。陈连阳：负责文章的审阅与编辑工作，以及软件应用相关事务。薛吉梅：负责文章的审阅与编辑工作，以及资源协调工作。王志军：负责结果可视化以及验证工作。李颖：负责文章的审阅与编辑工作，以及资金筹集相关工作。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52202083、W2421013）、四川省科技计划项目（项目编号：2024YFHZ0265）、高端装备先进材料与制造技术实验室开放项目（项目编号：2023KFKT0005）以及四川外国语大学昆仑英才计划科研项目（项目编号：2026XQYM042）的资助。

魏汉军是成都大学高级研究院的特聘研究员。他拥有西北工业大学的材料科学博士学位，其主要研究方向包括电磁波吸收材料、隔热材料以及源自生物物质的吸收材料。

Hanjun Wei|Zhiyong Chen|Yuxiang Lai|Siyu Chen|Lu Tang|Lianyang Chen|Jimei Xue|Zhijun Wang|Ying Li