经过异相界面工程处理的多孔碳材料，结合了类似蜡梅结构的钴氧化物，实现了协同的宽带微波吸收和热传导性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Heterointerface-engineered porous carbon anchored with bayberry-like cobalt oxide for synergistic broadband microwave absorption and thermal conduction

　　摘要
通信技术的快速发展对微波吸收材料的性能提出了更高的要求。在这项工作中，采用了一种异质界面工程策略，利用废弃咖啡渣构建多孔CWC骨架，并通过水热-热解过程在三维多孔碳框架上原位生长类似蔓越莓结构的Co3O4/CoO纳米颗粒，从而在Co3O4/CoO和碳之间形成多个异质界面。这种结构不仅有效缓解了颗粒团聚问题，防止了碳骨架内部多孔网络的堵塞，而且在保持轻质导电框架的同时，利用了基于钴的氧化物的平滑磁响应，显著优化了阻抗匹配。互补的密度泛函理论（DFT）计算证实，Co3O4/CoO异质结的构建诱导了明显的界面电荷转移和内部电场，从微观电子层面证明了界面极化损耗的增强。得益于磁-介电损耗机制的协同作用，制备的复合材料在2.1毫米厚度下实现了-49.42 dB的最小反射损耗（RLmin）和6.13 GHz的有效吸收带宽（EAB），而2.9毫米的涂层厚度则覆盖了整个X波段。CST仿真进一步验证了其对复杂目标的雷达隐身潜力。此外，即使在10%的低填料负载下，该材料仍表现出显著的热传导能力，显示出其在结合电磁波吸收与热传导的协同应用中的潜力。这项工作为设计轻质、宽带、高效率的生物质衍生碳基微波吸收材料提供了一种新的微结构工程策略。

引言
随着现代社会5G技术的快速发展，无线通信已进入了一个全新的高频时代[1]。虽然这种技术革新带来了前所未有的便利，但也使电磁辐射成为一种不可忽视的环境污染物，其对多个关键领域产生了不利影响[2]。在国防工业中，隐身飞机和舰船迫切需要宽带微波吸收材料来有效降低它们的雷达截面积（RCS），从而实现关键的战术隐身；在尖端的民用应用中，从新能源车辆的复杂电子控制系统到医学诊断中的磁共振成像设备，也都遇到了严重的电磁干扰和辐射问题[3][4]。在这种背景下，设计同时具备“薄、轻、宽和强”特性的高效微波吸收材料（MAMs）变得至关重要[5]。此外，由于在电磁能量耗散过程中可能会产生热量积聚，微波吸收材料不仅需要表现出优异的吸收性能，还需要具有良好的热传导和散热能力，以满足在复杂服务条件下的稳定运行需求[6]。在现有的微波吸收材料中，基于碳的材料因其独特的介电损耗机制、优异的稳定性和低密度而成为研究最广泛的系统[7][8]。然而，传统的碳材料往往受到苛刻合成条件和高生产成本的限制，这阻碍了它们在上述场景中的大规模商业化[9]。在这种情况下，转向绿色和可持续的发展途径——即利用丰富的可再生资源开发生物质衍生碳材料，这些材料具有低成本的前体、简单的制备工艺和可调的微结构——成为打破当前瓶颈、促进高性能微波吸收材料广泛应用的最佳策略[10]。

得益于丰富的资源、环保性和结构可调性，生物质衍生碳已成为生产轻质多孔碳材料的理想前体。迄今为止，已利用香蕉皮[11]、木材[12]和玉米秸秆[13]等多种天然生物质制备了具有不同特性的微波吸收材料。在我们的初步研究中，发现废弃咖啡渣含有适量的含氮物种，并呈现出纤维状形态；经过炭化后，它们可以生成保持多种杂原子和含氧官能团的多孔碳骨架，从而为介电损耗和界面极化过程提供了基础[14][15][16]。然而，与大多数单一组分碳材料类似，纯咖啡渣衍生的碳由于其过高的电导率而存在阻抗不匹配问题，而在缺乏有效磁损耗机制的情况下，仅靠介电损耗不足以满足“宽频和强吸收”高性能电磁波吸收材料的要求[17]。为了解决高频电磁场下单一组分碳材料的阻抗不匹配问题，人们已经证明构建同时结合磁损耗和介电损耗的磁性碳基复合材料是一种有效策略[18][19]。在各种磁性候选材料中，基于钴的氧化物因其独特的电子结构和磁性特性而受到广泛关注。特别是Co3O4作为一种典型的尖晶石氧化物，其晶格中包含混合的Co2+/Co3+价态，这不仅促进了电子在八面体和四面体位点间的跳跃，从而引起明显的极化松弛，还为磁损耗做出了显著贡献[20][21]。Lyu等人[22]制备了Co3O4纳米片/碳泡沫（CF）复合材料，其中负载Co3O4纳米片的CF与原始CF相比，电磁波吸收（EWA）性能得到了显著提升，最小反射损耗（RLmin）从-10 dB提高到了-46.58 dB，有效吸收带宽（EAB）从0 GHz扩展到了5.4 GHz。更重要的是，与某些易显示尖锐共振峰从而导致吸收带宽狭窄的铁氧化物不同[23]，基于钴的氧化物通常在较宽的频率范围内表现出更平滑和适中的磁响应，为在宽微波带内实现稳定吸收提供了有利条件。

尽管基于钴的碳复合材料取得了显著进展，但在追求高性能微波吸收材料的过程中仍存在许多挑战。一方面，传统的将基于钴的氧化物颗粒加载到碳骨架上的方法容易导致严重的团聚和局部积聚，这不仅减少了异质界面的有效面积，还可能堵塞多尺度孔隙，从而破坏了轻质多孔结构的本质和阻抗匹配条件[24]。另一方面，单一组分磁性颗粒通常无法同时满足磁损耗和界面极化损耗的要求，从而限制了整体衰减能力的进一步提高[25]。在这种情况下，异质界面工程被认为是一个非常有前景的解决方案，主要是通过成分和结构的协同设计来故意构建丰富、稳定且均匀分布的异相接触界面，并利用相间能级差和晶格失配来调节界面电荷行为，从而增强界面极化和电磁损耗，同时保持有利的阻抗匹配[26][27]。然而，大多数现有研究仍停留在宏观电磁参数与反射损失之间的经验相关性阶段，对于异质界面在电子层面上调节电荷的能力、静电势差的差异及其与微波吸收性能的内在关系仍缺乏明确认识；此外，均匀界面和异质界面之间的介电损耗能力的根本差异也尚未完全阐明。

鉴于此，本研究采用了一种异质界面工程策略，利用废弃咖啡渣作为生物质碳源，并通过KOH活化来构建三维多孔咖啡渣衍生碳（CWC）骨架，同时通过连续的水热处理和高温热解在碳框架上直接形成类似蔓越莓结构的Co3O4/CoO纳米颗粒，从而形成富含多个C/CoO、C/Co3O4和Co3O4/CoO异质界的Co3O4/CoO@CWC复合材料。这种结构不仅保持了轻质多孔特性，还减轻了磁性颗粒的团聚，并实现了介电和磁损耗的协同调节；在优化后的2.1毫米匹配厚度下，实现了-49.42 dB的最小反射损耗（RLmin）和6.13 GHz的有效吸收带宽（EAB），有效覆盖了X波段。CST仿真验证了其对平面和复杂目标的RCS降低能力，密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，Co3O4/CoO异质界面通过生成内部电场增强了界面极化和宽带介电响应，从微观角度阐明了类似蔓越莓结构的Co3O4/CoO异质结构在协同优化阻抗匹配和能量耗散中的关键作用。此外，尽管这种复合材料表现出优异的电磁波吸收性能，但仍具有了一定的热传导能力，突显了其在结合电磁吸收与热传导的协同应用中的潜力。总体而言，本研究提出的Co3O4/CoO异质界面工程策略为开发轻质、宽带、高效生物质衍生碳基微波吸收材料提供了一个通用的设计概念。

原料
废弃咖啡渣来自 Luckin Coffee，聚（ vinylpyrrolidone）（PVP）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、六水合硝酸钴（Co(NO3)2·6H2O）、苯-1,3,5-三羧酸（trimesic acid，H3BTC）、氢氧化钾（KOH）和盐酸（HCl）则从Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.购买。

咖啡渣衍生碳（CWC）的制备
经过干燥和研磨作为预处理后，将咖啡渣与4 mol L-1的KOH溶液混合；所得沉淀物随后进行真空干燥。

结果与讨论
在这项研究中，使用废弃咖啡渣作为生物质碳源，并通过高温热解引入磁性钴氧化物，以实现碳骨架和磁性组分的协同调节。在前体制备阶段，钴物种通过水热过程均匀加载并有效分散；在随后的热解步骤中，仔细调节热解温度，使钴前体得以充分释放。

结论
在这项工作中，使用废弃咖啡渣作为生物质碳源，并通过水热过程结合高温热解成功构建了负载类似蔓越莓结构钴氧化物颗粒的多孔碳复合材料。系统研究了钴前体含量和热解温度对材料微观结构和电磁性能的影响。

作者贡献声明
吴志红：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，监督，资源，项目管理，方法论，资金获取，形式分析，数据管理。李佳逸：研究，形式分析。王文静：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始稿，验证，资源，研究，形式分析，数据管理。黄志斌：研究，数据管理。牛丹：形式分析，数据管理。徐一帆：软件，数据管理。齐俊：验证，利益冲突声明

作者声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报道的工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号51974218）、广东省大型陶瓷板重点实验室（项目编号KFKT2023002）、陕西省科学技术厅（项目编号2024JC-YBMS430）、陕西省秦创源“科学家和工程师”团队建设项目（项目编号2024QCY-KXJ-126）以及西安建筑科技大学基础研究基金项目（项目编号JC1406）的支持。作者感谢西安建筑科技大学材料科学与工程学院的各位支持。