维度导向的MOF衍生物增强协同麦克斯韦-瓦格纳-西拉尔斯极化以实现宽带微波吸收

《CARBON》：Dimension-directed MOF derivatives amplify synergistic Maxwell–Wagner–Sillars polarization for broadband microwave absorption

　　

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  维度导向合成策略：开发了一种精确的结构工程方法，将金属有机框架前驱体定制为不同的零维、一维、二维和三维结构。
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  与维度相关的介电损耗机制：系统量化了维度如何通过Maxwell-Wagner-Sillars界面极化调控介电极化行为。
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  磁电协同效应：2.0毫米厚的一维钇基吸波材料实现了最低反射损耗-64.72 dB和6.15 GHz带宽。通过整合掺杂的BaFe_10.6(CuZr)_0.7O₁₉磁铁矿材料，带宽进一步扩展至8.23 GHz（几乎覆盖整个X波段和Ku波段）。

引言

高频通信技术（包括5G网络、卫星通信、自主雷达系统和先进传感平台）的快速演进带来了前所未有的便利和能力。[1] 然而，这一进展也加剧了对电磁污染、辐射危害以及敏感电子设备易受电磁干扰等问题的担忧。[2], [3], [4] 与此同时，国防和航空航天领域对隐身技术的需求推动了人们寻找能够在宽频范围内衰减入射微波同时保持轻质且结构坚固的材料。[5], [6] 传统的微波吸波材料（如铁氧体基材料）因具有强磁性损耗和成熟的加工技术而被广泛采用。[7] 然而，它们的高密度、窄有效吸收带宽以及在高频段性能受限的问题，阻碍了其在对重量敏感和宽频应用中的应用。[8] 碳基材料[9]、导电聚合物[10]和介电陶瓷[11]由于其优异的电磁响应特性、大的比表面积和良好的热稳定性而引起了广泛关注，但在强衰减与阻抗匹配之间实现精妙平衡仍然是一个持久挑战。

近年来，金属有机框架（MOF）及其衍生物作为新一代电磁波吸收材料受到了广泛关注。[12], [13], [14] MOF具有低密度、可调节的化学组成、高孔隙率和结构可设计性的独特组合。[15], [16], [17] 经过热解，MOF可以转化为嵌入介电或磁性纳米粒子的导电碳骨架，[18], [19] 形成具有丰富异质界面、缺陷位点和分级孔隙的架构。[20], [21], [22] 这些特性使得多重散射、增强的界面极化以及可调节的介电和磁性参数成为可能，使MOF衍生物成为宽带高效微波吸收的有前途的候选材料。[23], [24], [25]

尽管具有这些优势，一个关键的的结构参数仍未得到充分探索，即维度性。虽然已有大量研究聚焦于组分调控、缺陷工程和孔隙结构优化，[26], [27] 但维度性——涵盖零维（0D）粒子、一维（1D）棒状或纤维、二维（2D）片状和三维（3D）框架——对介电行为和损耗机制的影响尚未得到系统的阐明。[28], [29], [30] 维度各向异性可以深刻影响电子传输路径、界面极化位点的密度和分布以及导电网络的形成。这些因素直接影响MWS极化、传导损耗和阻抗匹配，但在MOF衍生体系中，维度性与微波吸波性能之间的机理联系在很大程度上仍未被量化。[31]

本文通过开发具有明确定义的0D、1D、2D和3D形貌的Y₂O₃@C的MOF衍生物的维度可控合成方法，填补了这一空白。该方法使得维度性如何调控介电特性和吸波性能的直接平行比较成为可能。在所研究的架构中，一维棒状Y₂O₃@C结构表现出最优异的性能，在15.85 GHz处实现了最低反射损耗-64.72 dB，并在仅2.0毫米厚度下获得了6.15 GHz的有效吸收带宽（RL < -10 dB）。详细的介电参数分析和有限元模拟表明，细长的1D形貌促进了各向异性的电子传输、丰富的异质界面和富含缺陷的碳相，这些因素协同作用，在保持优异阻抗匹配的同时增强了MWS界面极化和传导损耗。此外，通过将最优的1D介电棒与磁性钡铁氧体（BaFe_10.6(CuZr)_0.7O₁₉）构建磁电复合材料，我们实现了惊人的8.23 GHz协同带宽，覆盖了整个X波段和Ku波段。

章节片段

材料

Y(NO₃)₃·6H₂O（Macklin，99.999%），1,3,5-苯三甲酸（Macklin，98%），4,4'-联苯二甲酸（Macklin，97%），BaCO₃（Macklin），Fe₂O₃（Macklin），CuO（Macklin），ZrO₂（Macklin），PVP（Macklin，Mw≈58000，K30），N,N'-二甲基甲酰胺（DMF≥99.5%），无水乙醇（Macklin，98%）。

Y-MOF的合成

称取2 mmol（0.48446 g）4,4'-联苯二甲酸并溶解于60 mL DMF中形成溶液A，将1 mmol（0.21014 g）1,3,5-苯三甲酸溶解于40 mL DMF和20 mL去离子水的混合溶液中。

样品的形貌与结构信息

为了系统研究结构维度性对微波吸波性能的影响，采用了一种定制化的MOF衍生合成路线。该方法能够精确控制所得材料的架构和化学组成。整体合成过程如图1a所示。在第一步中，通过典型的水热方法，通过调整

结论

总之，我们开发了一种通过水热路线对MOF衍生物进行维度控制的合成策略，使得系统地探索在不同MWS效应调控下具有不同维度性的材料的有效介电特性成为可能。在该系列中，一维Y₂O₃@C-1D架构表现出最优异的性能，在2.0毫米厚度下实现了超低的-64.72 dB反射损耗和异常宽的6.15 GHz有效吸收带宽。这种优异的微波

CRediT作者贡献声明

杨菲菲：软件，形式化分析。莫兆军：形式化分析。伊聪：软件，调查，形式化分析。黄祥云：形式化分析。王娟：撰写——初稿，软件，方法论，调查，形式化分析，数据管理。杨金波：形式化分析。胡嘉洵：软件，形式化分析。马启奎：形式化分析。严伟然：方法论，调查，形式化分析。池晓：撰写——审阅与编辑，验证，监督，资源，方法论，

利益冲突声明

作者声明不存在利益冲突。他们没有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。

利益冲突声明

? 作者声明，他们没有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

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFC3906900）、国家自然科学基金（项目编号12574135）、江西省重大科技专项（项目编号20233AAE02007）、江西省重点研发计划（项目编号20223BBE51019）、中国科学院赣江创新研究院研究项目（项目编号E355B001）、江西省赣鄱俊才支持计划（编号

Juan Wang|Cong Yi|Weiran Yan|Jiaxun Hu|Fangzhou Pan|Lin Xiao|Qiwei Wang|Junjie Yan|Jun Li|Wenfeng Wang|Feifei Yang|Xiangyun Huang|Zhaojun Mo|Qikui Man|Jinbo Yang|Guoguo Tan|Xiao Chi