回收造纸厂污泥，制备低成本镍改性碳/硅复合材料，以实现高效的微波吸收

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Recycling paper mill sludge to prepare low-cost Ni-modified carbon/silica composite for efficient microwave absorption

　　

摘要

基于生物量的磁介电协同复合材料因来源广泛、成本低廉且结构独特，在微波吸收（MA）领域受到了广泛关注。在本研究中，利用纸浆厂污泥（PMS）通过脱矿、浸渍和烧结过程成功合成了Ni改性的碳/二氧化硅（Ni/C/SiO₂）复合材料。通过调节烧结温度，优化了Ni颗粒的分布以及多孔碳骨架与内部灰分中的SiO₂的结合，从而增强了磁介电协同效应，实现了更优的阻抗匹配和电磁波衰减性能。特别是，在700 °C下烧结的Ni/C/SiO₂复合材料（NCS-700）表现出优异的微波吸收性能，在2.0 mm的匹配厚度下，有效吸收带宽（EAB）达到5.6 GHz，最小反射损耗（RL_min）为?39.2 dB。这种优异的性能源于多种损耗机制的协同增强，包括偶极/界面极化松弛、导电损耗和磁损耗。本研究不仅为PMS的回收利用开辟了新的前景，还为设计宽带微波吸收器提供了一种简单且经济可行的方法。

引言

数字革命的快速增长推动了现代电子设备的广泛普及。虽然通信和雷达系统等技术带来了诸多好处，但它们也会产生电磁辐射，加剧了电磁污染问题[1]、[2]。为应对这些挑战，人们致力于设计和制造高效微波吸收（MA）复合材料，这些材料需同时满足薄厚度、轻重量、宽频率和高吸收率的要求[3]。在候选材料中，基于碳的材料因其优异的化学稳定性、低密度和结构多样性而受到关注[4]、[5]。通过利用其活性表面化学性质，碳基材料可以与互补的介电或磁组件结合，形成具有强电磁协同效应和良好阻抗匹配的系统[6]。根据不同的损耗机制，文献中研究了多种碳基材料，如磁碳复合材料[7]、[8]、[9]、介电碳复合材料[10]、[11]以及碳/介电/磁多组分复合材料[12]。Zhang等人[13]合成了异质棒状Ni@C复合材料，在1.66 mm的匹配厚度下实现了?58.7 dB的最小反射损耗（RL_min）。这种强吸收效果归因于磁介电协同效应。Dou等人[14]采用水热法结合化学催化气相沉积法制备了Fe₃O₄@C和Fe-Fe₃O₄@C混合纳米环，在17.1 GHz下的最小反射损耗（RL_min）为?32.9 dB。尽管已经开发出许多高性能的碳基MA材料，但其高昂的成本和复杂的制备过程仍然限制了它们的实际应用。

纸浆厂污泥（PMS）是由有机和无机残渣混合而成，大量产生于纸浆和造纸行业的 wastewater 处理过程中[15]。随着纸张产量的逐年增加，由于处理方法不当，大量PMS被废弃，导致资源浪费和生态污染。目前，填埋和焚烧仍是PMS的主要处理方式[16]。然而，由于经济可行性较低且易造成二次污染，这种工业废物的再利用对纸浆和造纸行业仍是一个重大挑战[17]。解决这些挑战需要开发可持续的解决方案，以重新利用废弃物。因此，PMS作为原材料在许多领域得到了广泛研究，如纤维素纳米材料、堆肥、土壤改良剂和建筑材料等[18]、[19]、[20]。值得注意的是，PMS含有大量的有机物质，如纤维素、木质素和半纤维素。最近的研究表明，PMS生物炭具有环保性、天然丰富性、多孔结构以及可再生、可持续的特性[21]。值得强调的是，作为吸附剂和催化剂的碳前体，PMS因其独特的物理化学性质、低成本和化学稳定性而受到广泛关注[22]。在此背景下，将PMS转化为功能性MA材料仍然是一个尚未充分探索的领域，这为同时满足电磁波衰减需求和促进循环经济发展提供了契机。

在本研究中，通过顺序脱矿和浸渍-烧结过程制备了基于PMS的异质Ni/C/SiO₂复合材料。将Ni颗粒引入C和SiO₂矩阵中可以有效增强磁损耗并优化阻抗匹配。Ni/C/SiO₂复合材料独特的微观结构和多组分组成的协同作用使其具有出色的MA性能。通过调整复合材料的热处理温度，成功制备出了最小反射损耗（RL_min为?38.9 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.6 GHz的NCS-700复合材料。我们的工作为PMS的可持续利用提供了途径，展示了其在开发高性能电磁吸收材料中的直接应用。

章节片段

材料

PMS取自中国山西省的一家纸浆厂。使用前，经过干燥、粉碎、球磨和通过150目筛网筛选等预处理程序。PMS的最终分析和近似分析总结在表1中。X射线荧光（XRF）分析显示其灰分组成中CaO（32.12%）、SiO₂（4.39%）和Al₂O₃（5.18%）占主导地位，其他金属氧化物含量较少

Ni/C/SiO₂复合材料的微观结构和组成

Ni/C/SiO₂复合材料的制备过程如图1所示。首先对PMS进行酸处理以去除过量方解石，并实现纤维素和木质素的均匀分散。随后，在Ar气氛下于500–800 °C进行碳化，同时在其中原位生成Ni纳米颗粒。如图1所示，制备过程包括三个不同的“液-固-固”阶段。

结论

总之，我们成功制备了基于PMS的Ni/C/SiO₂复合材料，并首次研究了它们的电磁波吸收性能。通过调节烧结温度，可以在Ni/C/SiO₂复合材料中形成独特的异质结构，其中Ni颗粒均匀分布在多孔碳骨架上，碳与内部灰分中的SiO₂有效结合，从而实现了优异的阻抗匹配和电磁性能。

CRediT作者贡献声明

Dashuang Wang： 数据管理。Baoshun Zhu： 写作 – 审稿与编辑，初稿撰写，项目管理。Xinyan Wang： 研究，数据管理。Guomin Li： 写作 – 审稿与编辑，方法论研究。Guizhen Wang： 写作 – 审稿与编辑，监督，概念构思。Yubo Wang： 软件开发，研究。Hongyu Wei： 研究。Weipeng Mu： 研究，数据管理。Xuanpeng Sun： 研究，数据管理。Pangyu Shi： 研究。Huilan Hao： 研究

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究内容。

利益冲突声明

?作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究内容。

致谢

本工作得到了山西省自然科学基金（202303021222293, 202303021222290）和国家自然科学基金（52572138）的支持，以及山西省科学技术研究院的青年科学家科研基金（2023015）的支持。

Baoshun Zhu|Xinyan Wang|Weipeng Mu|Xuanpeng Sun|Yubo Wang|Hongyu Wei|Pangyu Shi|Huilan Hao|Dashuang Wang|Guomin Li|Guizhen Wang