具有可调控电磁波吸收性能的生物质和MOF衍生FeCo/C气凝胶

《CARBON》：Biomass and MOF-Derived FeCo/C Aerogels with Tailorable Electromagnetic Wave Absorption Performance

　　

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  甘蔗基可持续3D复合材料（FeCo/C@SCA）的合成。
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  基于受控Fe₃O₄/ZIF-67负载，通过调整Fe/Co比例精确调控电磁性能。
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  优化的吸波材料实现RL_min值为-52.60 dB，有效带宽为7.20 GHz。
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  FeCo/C@SCA集微波吸收、隔热和红外隐身功能于一体。

引言

随着第五代无线通信技术和军事隐身技术的迅速发展，电磁干扰和电磁辐射污染问题日益严重，对信息安全、人类健康以及精密电子设备的正常运行构成了严重威胁[1], [2]。因此，开发高性能电磁波吸收材料（EWAMs）以实现高效的电磁波吸收（EWA）和转换，已成为材料科学和电磁屏蔽领域的前沿研究方向[3]。理想的电磁波（EMW）吸波材料应具备强吸收能力、宽带宽、薄厚度、低密度以及优异的环境稳定性[4]。其主要目标包括良好的阻抗匹配，使电磁波尽可能深入穿透材料，以及强衰减能力，将入射电磁能迅速转化为热能或其他形式的耗散能量[5]。

传统的EWAMs，如铁氧体、磁性金属和导电聚合物等，已得到广泛研究[6], [7]。作为一类磁性材料，金属有机框架（MOF）衍生物因具有高比表面积、多孔结构和可设计的成分，赋予衍生物低密度和良好阻抗匹配的特性，常被用作EWAMs的组分。例如，基于钴的MOF材料ZIF-67因其丰富的金属中心、均匀的孔隙率和可调的化学组成，已成为EWAMs的理想前驱体[8]。Liu等人通过ZIF-67碳化方法制备了具有高孔隙度和异质性的碳纳米管/钴复合气凝胶[9]。研究人员通过调整Co纳米粒子的比例，有效调控了碳纳米管的EWA性能。Cao等人研究了ZIF-67转化为Co纳米粒子的独特机制。所得In-Co-CNF展现出优异的电磁吸收性能，最小反射损失（$$）为-48.6 dB，有效吸收带宽（$$）为4.2 GHz。上述研究表明，经热解后，ZIF-67可转化为均匀分散在氮掺杂碳基体中的磁性钴纳米粒子，实现介电损耗和磁性损耗的完美集成[10]。

然而，单金属MOF衍生物的成分和结构相对简单，导致电磁损耗机制单一，限制了阻抗匹配和损耗能力的协同优化。研究表明，双金属复合材料可通过调节金属离子的种类和比例来改善其磁性和介电性能，从而增强材料的阻抗匹配能力。Liu等人制备了高孔隙Fe/Fe₃Co₇/Co/C复合材料，并通过实验与建模相结合的方法，系统研究了单孔和梯度孔衍生物的阻抗和衰减特性。与单MOF衍生物相比，Fe/Fe₃Co₇/Co/C复合材料因其小孔内核而表现出更好的衰减能力，而大孔外层则提供了优异的阻抗匹配[11]。Luo等人通过水热合成和碳化工艺，制备了多种对称莲状氧化钴/二氧化锰/多孔碳复合材料（Co/MnO/PC/RGO），并引入了还原氧化石墨烯（RGO）。其独特组成和对称多孔结构协同作用，提升了EWA性能[12]。最近，嵌入式多孔碳纳米棒中的FeCo合金也通过磁性-介电协同效应实现了宽带微波吸收[13], [14]。除合金工程外，碳基复合材料中的缺陷和界面调控也被证明是进一步增强极化损耗和整体吸收性能的有效策略[15], [16], [17]。虽然双金属MOF材料具有单金属MOF体系所不具备的可调介电和磁性损耗能力，但仍存在固有的缺陷，包括合成成本高昂以及活性金属位点严重团聚。将双金属MOF衍生的纳米晶体固定在碳基支架上已被证实可以缓解颗粒团聚问题。然而，传统的碳载体如碳纳米管来源于石油化工原料，无法从根本上解决复合吸波材料的高成本困境。

在此背景下，可再生、低成本的甘蔗废料碳气凝胶被用作轻质分级多孔基体，以限域ZIF-67（Fe/Co）双金属纳米粒子。因此，通过绿色生物质辅助合成路线，合理构建了新型FeCo/C@甘蔗碳气凝胶复合材料（FeCo/C@SCA）。通过改变负载在甘蔗生物炭上的铁钴比例，材料的阻抗匹配和损耗机制得到协同调控。FeCo/C@SCA通过双金属活性位点在生物炭气凝胶中的分散增强了介电损耗能力，并诱发了强界面极化。同时，FeCo/C@SCA展现出卓越的隔热性能和微波衰减能力，分别由热红外成像和雷达截面积模拟加以验证。FeCo/C@SCA具有特征性的三维气凝胶框架和多种异质界面，如Fe₃C/C、Co/C和Fe₃C/Co界面。得益于双金属活性位点在生物质气凝胶上的均匀分散，FeCo/C@SCA表现出增强的介电损耗和强烈的界面极化。这一精心设计的方案为进一步提升生物碳基分级复合材料的微波性能提供了前景。

章节摘要

材料

甘蔗废料由水果店提供。六水合硝酸钴、六水合氯化铁、甲醇溶液、氢氧化钠、冰醋酸、碳酸氢钠、亚氯酸钠、2-甲基咪唑、抗坏血酸和聚乙烯吡咯烷酮K-30购自上海麦克林生化科技有限公司。

Fe₃O₄的制备

首先，配制含30 mL 3 mmol六水合氯化铁（FeCl₃·6H₂O）的溶液。在搅拌下加入9 mmol碳酸氢钠（NaHCO₃）。随后，

结果与讨论

如图1b所示，FeCo/C@SCA-1放置在积雪草上未发生弯曲，证明了其优异的轻质特性。测得的气凝胶密度为0.0888 g/cm³，定量确认了其轻质特征。SEM图像显示了FeCo/C@SCA-1的纵向（图1d）和横截面（图1c）形貌和结构。如图1c所示，FeCo/C@SCA-1在碳化过程中形貌发生了轻微变化，但材料仍然

结论

本研究采用甘蔗基生物炭作为基底，由ZIF-67（Fe/Co）衍生物合成FeCo/C@SCA。作为基体，甘蔗碳气凝胶提供了连续且相互连接的三维导电网络。均匀分散在碳骨架上的Fe₃C和Co纳米颗粒提供了优异的磁性损耗位点。丰富的Fe₃C/C和Co/C异质界面诱导界面电荷重新分布，

CRediT作者贡献声明

He Cao：撰写—初稿，调查。Xiaoyu Zhang：撰写—审阅与编辑，监督。Na Zhang：撰写—初稿，调查。Zhaoxia Wang：调查，数据整理。Yifei Feng：调查。Xiaojiao Han：调查。Hua Yuan：监督。Wanxin Zhang：调查。Wei Du：调查。Yang Zuo：监督。Lina Xu：撰写—审阅与编辑，方法学。Fushan Li：数据整理

利益冲突声明

? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

本研究得到国家自然科学基金（52302116, U24A2070, 52371238）的支持。

Na Zhang|He Cao|Zhaoxia Wang|Xiaojiao Han|Yifei Feng|Wanxin Zhang|Hua Yuan|Yang Zuo|Wei Du|Fushan Li|Lina Xu|Xiaoyu Zhang