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Nano Res.[单元]│青岛大学贾梓睿副教授课题组：多孔碳异质结构上的磁性界面层调控实现高效微波吸收

作者：Nano Research 2024-09-26

本篇文章版权为贾梓睿课题组所有，未经授权禁止转载。

背景介绍

5G技术的出现以及随后与各种通信系统的迭代极大地扩展了电磁波的使用范围。这种广泛应用凸显了一些新出现的电磁污染问题，如环境危害和潜在的健康风险，因此有必要对其对人类安全的影响进行前瞻性评估。与此同时，军事技术，特别是越来越依赖电磁波的隐形和反隐身机制，刺激了旨在吸收或屏蔽微波的创新材料的发展，从而有效地伪装军事硬件，使其不被探测到。特别是，能够在宽频带减弱微波的高性能电磁波吸收材料对现代军事电子对抗至关重要。

成果简介

青岛大学贾梓睿副教授课题组报道了一种基于铁铬氧化物修饰多孔碳构筑异质界面的复合材料在电磁波吸收方面的应用。

本工作考虑了结构和成分调节对材料电磁波吸收能力的协同作用，利用合理的表面阻抗匹配设计。具体来说，通过热还原法在多孔碳表面沉积一薄层致密排列的铁铬氧化物颗粒，制备出Fe-Cr-O@PC复合材料。研究揭示了铬掺杂对复合材料电磁波吸收性能的影响及其衰减机理。结果表明，复合材料具有出色的电磁波吸收性能，这主要归功于掺杂铬后介电损耗的增强。因此，在厚度为1.4毫米的情况下，有效吸收带宽（EAB）达到了4.08 GHz，最小反射损耗（RL）为−52.71 dB。这项研究不仅为开发具有卓越性能的新型吸波材料提供了灵感，而且为其进一步的研究和实际应用提供了巨大的潜力。

图文导读

图1. Fe-Cr-O@PC复合材料的合成示意图。

通过水热和还原退火工艺，将铁铬氧化物沉积在多孔碳表面，得到Fe-Cr-O@PC复合材料。

图2. (a1, a2) Cr₀、(b1, b2) Cr₁、(c1, c2) Cr_1.5、(d1, d2) Cr₂、(e1, e2) Cr₃、(f1, f2) Cr₄的SEM图像。

Cr₀样品具有相对光滑的表面，带有少量的颗粒团聚物，这表明在没有铬的情况下，沉积的纳米颗粒分散不良，导致多孔碳表面出现团聚实体。在引入铬后，表面的转变是显而易见的，其中出现了具有均匀分布颗粒的纳米颗粒层。Cr₁揭示了这种均匀的纳米颗粒在多孔碳表面形成的开始，表明铬和碳框架之间存在相互作用。铬含量的进一步增加导致纳米颗粒的分层排列，这些纳米颗粒似乎强烈地附着在多孔碳表面。在Cr₂样品中仍然可以观察到纳米颗粒层在表面的均匀附着，同时保留了碳基体的固有多孔结构和不同的孔隙。复合材料中铬含量较高导致逐渐可辨别的层堆积，这损害了碳孔的完整性。这种结构改变无疑会影响材料的电磁波吸收效率。

图3. Cr₂的Fe-Cr-O@PC复合材料的TEM图像。

可以观察到Cr₂的无定形碳结构完好无损地保存下来，颗粒附着在主碳骨架的表面。在无定形碳边缘结构中，细小的纳米颗粒均匀地分散在表面，表明铁铬氧化物的成功合成和表面粘附，多孔结构和纳米颗粒的存在很明显。此外，孔隙结构仍然清晰可见，不受多孔碳前驱体中纳米颗粒的排列和堆积的影响。

图4. Fe-Cr-O@PC复合材料的三维RL图像。

根据线路传输理论计算得到RL和EAB，可以直观地评估Fe-Cr-O@PC系列材料的EMW吸收性能。很明显，Cr₀样品的电磁波吸收性能较差，并且缺乏有效的吸收带宽。相比之下，随着Cr含量的增加，复合材料的吸收能力有所提高。Cr₂样品表现出最佳的电磁波吸收性能。

图5. Fe-Cr-O@PC复合材料的电磁波吸收机制示意图。

本工作分析了材料的介电和磁性参数以及其他相关因素，揭示了主要的损耗机制是介电损耗。此外，可以通过几个关键点阐明铁铬氧化物/多孔碳复合材料的电磁波吸收行为。介电损耗对电磁波衰减有显著贡献。值得注意的是，由于介电损耗和磁损耗的协同效应。复合材料的电磁波吸收性能大大提高。在铬添加量不同的情况下，磁性颗粒可以大大优化复合材料的介电性能。磁性纳米粒子的均匀排列极大地促进了界面极化。因此，复合材料的界面极化在介电损耗中起着重要作用。此外，复合材料内的铁氧体结构提供了一定程度的磁损耗能力，进一步提高了其吸收性能。

作者简介

贾梓睿，本文通讯作者，青岛大学副教授，主要从事新型电磁屏蔽复合材料、高导热绝缘及电磁相关材料的设计及开发，着重于微观结构、异质界面以及多组分的协同作用对电磁材料行为的影响规律。

主要研究成果：青岛大学第四层次特聘教授，硕士生导师。本科和硕士毕业于西安交通大学，指导教师成永红教授。2014-2017年在国家电网从事相关科研工作。于2017年9月进入西北工业大学化学与化工学院攻读博士学位，指导教师寇开昌教授。2021年5月加入青岛大学化学化工学院。以第一作者或通讯作者身份在Nano-Micro Lett.，Nano Res.，J. Mater. Sci. Technol.，Adv. Funct. Mater.，Compos. Part. B，Carbon等发表高水平科研论文40余篇，其中高被引ESI论文7篇，热点论文2篇，总影响因子大于400，他引次数4000余次，授权国家发明专利2项；主持国家自然科学基金青年基金项目1项、产学研横向项目1项和青岛大学特聘教授启动人才项目。并担任国际期刊Adv Funct Mater、Nanoscale、ACS Applied Materials & Interfaces、Journal of Materials Chemistry C、Composites Science & Technology、J Mater Sci Technol、Composites Part B、Chem Eng J等期刊特约审稿人等学术职务。

Email:jiaziruiqdu@163.com/jiazirui@qdu.edu.cn

个人主页：http://hxhg.qdu.edu.cn/info/1037/2483.htm

文章信息

Jia Z, Sun L, Gao Z, et al. Modulating magnetic interface layer on porous carbon heterostructures for efficient microwave absorption. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-024-6939-0.

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