一种生物质衍生多孔碳 - 钴镍纳米复合材料用于轻质高效电磁波吸收

《Materials Research Bulletin》：A biomass-derived porous carbon–CoNi nanocomposite for lightweight and efficient electromagnetic wave absorption

　　•源自大麻生物质的可持续CoNi@hemp-C吸波器。

•三维多孔结构实现增强的电磁波衰减能力。

•CoNi合金改善阻抗匹配和界面极化。

•在仅2.9 mm的厚度下，RL_min达到?43.82 dB。

•仅10 wt%填料负载下实现5.12 GHz的宽带宽。

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引言

第五代移动通信和雷达探测技术的快速发展导致日益严重的电磁干扰和辐射污染[1]–[4]。这一趋势刺激了对高性能电磁波吸收（EMA）材料日益增长的需求。理想的EMA材料预计能够在系统中兼具有低密度、减薄厚度、宽带宽和强衰减能力[5]–[7]。传统的磁性材料如金属磁体和铁氧体具有较高的磁损耗容量，但其实际应用受到高密度、耐腐蚀性差以及阻抗匹配不理想的限制。碳材料具有低密度、良好的稳定性和强介电损耗行为，但过高的电导率往往导致入射电磁波（EMW）在材料表面产生严重反射，削弱了电磁波吸收性能[8], [9]。因此，在强电磁衰减与有效阻抗匹配之间取得平衡仍然是先进EMA材料设计中的关键挑战[10]。

生物质衍生碳材料因其丰富性、可持续性和低成本而引起了广泛关注[11]。然而，传统生物质碳通常呈现不规则形态和不可控的孔结构，导致电磁参数的可调性有限。这种局限性使得难以同时实现阻抗匹配与强电磁波衰减。为解决这一问题，我们通过自模板活化碳化和碳化工艺从大麻制备了互连的三维多孔碳骨架（称为hemp-C），作为复合材料的结构骨架。连续的三维导电网络促进了电子的快速传输并增强了传导损耗。同时，丰富的纳米孔和众多的界面边界引入了大量的极化弛豫位点，从而增强了偶极极化和界面极化[12]。此外，多孔结构延长了电磁波的传播路径，使电磁波能够在材料内部进行反复的内部反射和散射。这些协同效应共同促成了在相对较小厚度下的衰减性能提升。与具有随机分布孔隙和有限结构连续性的传统生物质衍生碳材料不同，大麻衍生的前驱体天然具有纤维状结构，可转化为高度互连的三维蜂窝状多孔网络。这种独特的结构优势使得可以通过精确设计孔连通性、界面密度和导电路径，来同时调节阻抗匹配与电磁衰减。因此，该材料不仅提供了丰富的极化中心和高效的电子传输通道，还确保了在多个长度尺度上实现优化的波耗散。尽管具有上述优点，仅靠碳骨架不足以实现最优的阻抗匹配。为解决碳基吸波器的阻抗失配问题，将金属组分引入碳基体提供了一种有效调节电磁参数和增强衰减能力的策略[13]。大量研究表明，引入Fe、Co、Ni等金属或其合金，可以通过构建异质界面和调节导电网络来有效改变碳基复合材料的介电性能。例如，多孔碳骨架上沉积金属纳米颗粒已被证明能够通过调节碳材料的过高电导率来优化阻抗匹配[14]。此外，金属颗粒与碳基体之间形成的异质界面提供了丰富的极化中心，从而增强了界面极化损耗。这些结构优势凸显了将金属组分与多孔碳结构相结合以开发高性能EMA材料的潜力[15]。

在本工作中，通过热还原过程将CoNi双金属合金纳米颗粒固定在三维多孔碳骨架上。CoNi纳米颗粒与碳骨架之间形成的丰富异质界面显著增强了Maxwell–Wagner界面极化效应。得益于导电网络、分级孔隙与增强的界面极化之间的协同作用，入射电磁波能够深入穿透吸波器并进行高效的能量耗散。所得到的CoNi@hemp-C复合材料表现出优异的电磁波吸收性能。在2.9 mm的匹配厚度下，最低反射损耗（RL_min）达到?43.82 dB。即使厚度减小至2.3 mm，复合材料仍保持5.12 GHz的有效吸收带宽（EAB??），覆盖11.80至16.92 GHz的频率范围。这些结果表明，三维多孔碳骨架与磁性CoNi合金纳米颗粒的协同整合，为同时调节阻抗匹配与电磁波衰减提供了有效途径。本工作为构建生物质衍生的多孔碳架构提供了一种可控策略，揭示了多孔结构与电磁参数之间的内在关系，为开发轻质高性能EMA材料提供了新的见解。

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各章节摘要

结果与讨论

图1a展示了三维多孔CoNi@hemp-C结构的合成过程。为在搅拌条件下实现Co2?/Ni2?离子在大麻生物质表面及内部通道的高效吸附，将大麻粉末浸泡在Co(NO?)?·6H?O与Ni(NO?)?·6H?O的混合盐溶液中，随后进行过滤和烘箱干燥。之后，将Co2?/Ni2?修饰的大麻粉末与KOH按1:1的质量比混合，在研钵中研磨至均匀。

结论

总之，通过结合自模板活化与热还原的无模板策略，从可持续的大麻生物质成功制备了一种装饰有CoNi合金纳米颗粒的三维多孔碳骨架（CoNi@hemp-C）。所得复合材料具有互连的蜂窝状多孔结构，比表面积高达1228.7 m2 g?1，拥有丰富的介孔、连续导电网络、丰富的缺陷位点以及众多的异质……

CRediT作者贡献声明

辛茜张：写作—审阅与编辑。本义李：写作—原稿撰写，调查。丽娜刘：写作—审阅与编辑，写作—原稿撰写，调查，形式分析。英吉：写作—审阅与编辑。志明王：调查，数据整理。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争财务利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文中报告的工作。

致谢

本工作得到中国国家自然科学基金（批准号：12074095、12374392和52403351）、黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2023A012）以及中国黑龙江省高校基本科研业务费专项资金（145209203）的资助。

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