北航《Carbon》：从MOF衍生出一种高效轻量化电磁波吸收材料！

电磁（EM）波已受到人们广泛重视，因为它们在各个领域具有广泛的应用，如国防科研，交通运输行业，以及日常生活。同时，电磁辐射也导致了一系列严重问题，例如电磁干扰，威胁到军事应用和人类健康。众所周知，电磁波吸收材料的开发一直是解决这些问题的关键。高性能电磁波吸收材料应具有较强的吸收能力，较宽的吸收带宽和重量轻等优点。但是，由于电磁波衰减能力有限，通过常规复合材料满足所有要求是一个巨大的挑战。为了克服该缺点，由于不同组分之间的显著协同作用和良好的阻抗匹配，许多研究转向设计具有新颖结构的多组分材料。

电磁波吸收材料的吸收能力取决于其介电损耗、磁损耗和阻抗匹配，这可能受其结构和成分的影响。因此，必须进行合理的材料微结构构造以改善吸收性能并提高EM衰减能力。具有低密度和大表面积的独特结构可以大大增加极化中心，通过诱导表面极化和极化弛豫，有利于进一步增强介电损耗能力。通过向材料中引入壳或孔，有效降低介电常数以增强阻抗匹配。除结构外，由多种成分组成的复合材料也引起了关注。磁性金属材料由于在高频下具有高饱和磁化强度和高导磁率，因此可以广泛地用于制备较薄的吸波材料。然而，单一磁性组分材料仅具有单一磁损耗和高密度，这导致吸波性能较差。相反，碳基材料因其低密度，高介电损耗，和出色的化学稳定性而被广泛使用。

近日，北京航空航天大学王广胜教授课题组通过金属有机框架（MOF）ZIF-67的热分解，设计并制备了一种新型的轻型电磁波吸收材料，该材料具有空心结构和双金属成分的组合。研究发现，通过在多孔的Co/C复合材料中引入额外的金属镍，CoNi/C-800-PVDF纳米复合材料在13.68 GHz时可产生−61.02 dB的出色反射损耗，在较低填充量（10 wt％）时有效吸收带宽为5.2 GHz，对应的吸波材料厚度较小，为2 mm。这些结果表明，新型CoNi/C复合材料的双金属成分与中空结构之间的协同效应优化了阻抗匹配，从而大大提高了吸波性能！相关研究工作以“Hollow porousCoNi/C composite nanomaterials derived from MOFs for efficient and lightweight electromagnetic wave absorber”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008622320305777

图1. （a）ZIF-67的SEM图、（b）TEM图和（c）XRD图，（d）ZIF-67@NiCo-LDHCSs的SEM和（e）TEM图像，（f）不同的温度下CoNi/C的XRD图像

图2. （1） CoNi/C-600，（2）CoNi/C-700，（3）CoNi/C-800和（4）CoNi/C-900的SEM（a）和TEM（b）图像

图3反射损耗图

图4 电磁参数

图5 （a）CoNi/C-600，CoNi/C-700，CoNi/C-800和CoNi/C-900的C0值，（b）阻抗匹配比较和（c）衰减常数

综上所述，作者通过MOFs衍生的核壳前驱体的热解成功合成出中空多孔CoNi/C纳米复合材料。由于CoNi合金与碳材料的结合，电导损耗和表面极化引起的强介电损耗，以及铁磁共振和涡流损耗引起的磁损耗，电磁波吸收性能得到了明显提高。通过控制烧结温度，可以调整电磁参数并优化阻抗匹配，以获得出色的EM波吸收材料。CoNi/C-800@PVDF复合材料显示出最佳性能，仅填充10 wt％的填料时，最低反射损耗为−61.02 dB，有效吸收带宽为5.2 GHz，对应样品厚度为2 mm。（文：嘉一）