通过碱性激活和碳热还原工艺制备的高氧化铝粉煤灰基微波吸收剂，其电磁波衰减性能得到显著提升

《Waste Management》：High-alumina fly ash-derived microwave absorbents with enhanced electromagnetic wave attenuation via alkaline activation and carbothermal reduction

高铝粉煤灰通过碱性激活和碳热还原制备电磁波吸收复合材料，调控碱性溶液浓度可优化介电性能，实现反射损耗（RLmin）达-54.91 dB，有效吸收带宽（EABmax）3.86 GHz，厚度仅1.5 mm，显著提升电磁波吸收效率并实现固废资源化利用。

　　

作者：Imrana Salisu、Xiaohui Wang、Shuhua Ma、Yanjun Ou、Helong Hui、Luoyun Xu

中国科学院过程工程研究所绿色过程与工程重点实验室，北京 100190，中国

摘要

为了高效回收高铝粉煤灰（HAFA）——这种来自燃煤电厂的固体废物，并降低微波吸收剂的生产成本，研究人员采用了一种简单的碱活化与碳热还原方法合成了基于粉煤灰的复合材料。结果表明，通过改变碱溶液的浓度可以调节复合材料的介电常数，从而改善其电磁性能。在7毫米波长下，FA50、FA100、FA150和FA200的最小反射损耗（RL_min）分别为-14.46 dB、-18.36 dB、-39.71 dB和-54.91 dB。活化后，这些复合材料在1250°C下烧结4小时，其中S50在17.05 GHz时的RL_min为-40.37 dB，且在1.5毫米波长下的最大有效吸收带宽（EAB_max）为3.86 GHz。同时，S200复合材料的性能得到了提升，在7.88 GHz时的RL_min为-58.82 dB，在9.11 GHz时的RL_min为-53.47 dB，其在3.0毫米和2.5毫米波长下的EAB_max分别为2.75 GHz和3.81 GHz，吸收效率接近99.9999%。复合材料的强波衰减效果源于其出色的阻抗匹配以及内部的各种导电和极化损耗（偶极和界面损耗）。由于其制备工艺简单、电磁波吸收性能优异且成本低廉，这些复合材料在高性能电磁波吸收应用中具有巨大潜力。本研究还展示了高铝粉煤灰的完全回收和利用。

引言

现代通信技术的快速发展导致电子设备使用量激增，由此引发了一系列问题，包括对人类健康、电子安全和国防的影响（Chen等人，2024年；Shen等人，2021年；Tong等人，2024年）。因此，目前有大量研究致力于开发具有优异性能的新型电磁波（EMW）吸收材料（Shu等人，2019年；Zhang等人，2020年）。众所周知，有效的EMW吸收材料不仅需要具备强大的吸收能力和宽频带，还需要重量轻且易于生产（Li等人，2023年；Zhang等人，2019年）。新的EMW吸收材料应具有纤薄的外形、低密度以及有效的阻抗匹配，以满足应用需求（Mei等人，2021年；Quan等人，2017年；Wang等人，2021a）。以往的研究探索了多种EMW吸收材料，包括碳基材料、SiC、MnO?、SiCN?和石墨烯等介电材料，以及铁氧体、钴、镍和各种金属化合物等磁性材料（Gao等人，2019年；Pan等人，2023年；Shao等人，2024年；Wang等人，2024年；Wang等人，2021b）。这些材料分别与介电损耗和磁损耗相关。然而，单一成分的EMW吸收材料常常面临阻抗不匹配和高密度等问题（Liu等人，2022年；Mei等人，2021年；Wang等人，2021b）。最近，人们开始设计结合介电材料和磁性材料的多相复合材料，以满足对薄型、轻质、宽频带和高效EMW吸收材料日益增长的需求（Li等人，2023年；Xiang等人，2023年）。

随着煤炭消耗量的增加，高铝粉煤灰（HAFA）——一种由燃煤电厂产生的废弃物——已成为中国重要的工业固体废物（Zhang等人，2025a；Zou等人，2024年）。由于处理不当，大量HAFA被倾倒在湖泊中或堆积在岸边，给生态环境带来了严重挑战（Bui Viet等人，2020年；Gollakota等人，2019年；Hao等人）。目前，中国产生的粉煤灰主要用于沸石合成、填埋、矿山填充、道路基层建设、农业改良和污水处理等领域（Shi等人，2021年；Zhang等人，2025a）。尽管如此，仍有大量粉煤灰未被利用，这对环境和人类健康构成了重大风险（Z. Zhang等人，2025年）。为了解决这些问题，研究人员致力于寻找新的利用方式（Zhu等人，2021年）。在前期研究的基础上，多项研究专注于利用粉煤灰开发EMW吸收材料。这种兴趣的增长得益于粉煤灰的独特性质，如低密度、球形结构、中空形态和高机械强度（Wang等人，2024年）。此外，HAFA包含结晶相（如莫来石和氧化铝）和非晶相（如二氧化硅）。非晶相由于其高反应性，可作为合成SiC的宝贵原料。这些特性使得粉煤灰成为制造轻质、低成本且高效EMW吸收复合材料的理想候选材料（Mei等人，2019年；Wang等人，2024年；You等人，2022年）。

例如，通过共沉淀技术将CoFe?O?涂层涂覆在凹形玻璃微球上，在18 GHz频率下实现了-8.3 dB的最小反射损耗（RL_min），涂层厚度为1.5毫米（Fu等人，2007年）。在另一项研究中，Li等人通过溶胶-凝胶自燃法将钡铁氧体涂层沉积在粉煤灰上，获得了-15.4 dB的RL_min，涂层厚度为3.0毫米（Li等人，2013年）。You等人采用两步工艺将粉煤灰与Fe?O?纳米颗粒结合，实现了-48.7 dB的RL_min和11.5–15.8 GHz的有效吸收带宽（EAB_max）（You等人，2022年）。Gao Hongjie通过化学气相沉积制备了含有氧化铁的磁性粉煤灰@碳（MFA@C）微球，在2.9毫米波长下实现了-49.6 dB的RL_min和4.6 GHz的EAB_max（Gao等人，2023年）。Bora等人利用碳热还原和化学沉淀方法高效合成了PVB-CoOx-FAC和PVB-NiO-FAC基粉煤灰复合材料，在2.5毫米厚度下，这些材料在Ku波段的RL_min分别为-17 dB和-47.5 dB（Bora等人，2018年）。Guomin Li使用粉煤灰（FA）和煤气化残渣（CGR）作为原料制备了Fe?Si?/SiC/C复合材料，在2.0毫米波长下实现了-35.1 dB的RL_min和4.5 GHz的EAB（G. Li等人，2025年）。这些研究表明，粉煤灰是制造具有独特微观结构和稳定性能的微波吸收材料的可靠基质。然而，使用粉煤灰的合成过程较为复杂，导致阻抗匹配较差，可能引发二次污染、增加成本，并阻碍其有效回收。

我们的研究团队开发了一种莫来石-Al?O?-SiC EMW吸收材料，在3.0毫米厚度下，经过酸活化处理后采用一步碳热还原，实现了-51.55 dB的RL_min和3.39 GHz的EAB_max（Ayeni等人，2022年）。我们还通过碱活化与碳热还原改性的HAFA结构，制备了SiC/NaAlSi?O?和SiC/Al?O?复合材料，在2.2毫米厚度下实现了-57.04 dB的RL_min和4.11 GHz的EAB_max（Salisu等人，2026年）。最新研究表明，HAFA中的天然铁纳米颗粒可进一步增强波吸收效果。与现有的基于粉煤灰的微波吸收剂相比，大多数系统依赖于多步骤处理或添加外部磁性成分，这会增加工艺复杂性和环境影响（Zhu等人，2020年）。本研究提供了一种直接且可扩展的方法，结合了碱活化与碳热还原技术，利用HAFA中天然存在的铁元素，无需额外添加磁性添加剂，从而实现了优于现有系统的电磁波吸收性能。据我们所知，目前尚无系统研究探讨碱浓度对HAFA基复合材料结构演变和电磁波吸收性能的影响。

在本研究中，通过简单的碱活化后进行碳热还原，成功利用高铝粉煤灰（HAFA）合成了多种EMW吸收材料。结果表明，碱浓度的变化和碳热还原过程中活性炭的添加会影响所有复合材料的相组成、微观结构和粒径。碱活化后，样品在不同条件下表现出不同的结构，从而实现了可调的介电性能。在1250°C下碳热还原4小时后，样品形成了包含SiC、莫来石、Fe?Si、Al?O?和NaAlSi?O?的独特晶体结构。这种结构以及SiC的存在影响了复杂的介电性能，并在较薄厚度下改善了阻抗匹配。此外，不同相之间的众多界面产生了显著的偶极和界面极化效应。结果表明，活化后烧结的S50复合材料在17.05 GHz时的RL_min为-40.37 dB，厚度为1.5毫米，EAB_max为3.86 GHz；S200复合材料在7.88 GHz时的RL_min为-58.82 dB，在9.11 GHz时的RL_min为-53.47 dB，厚度分别为3.0毫米和2.5毫米，对应的EAB_max分别为2.75 GHz和3.81 GHz。这种从粉煤灰制备高性能吸收材料的新方法不仅实现了粉煤灰的宝贵再利用，还几乎完全回收了其成分。与其他处理方式（如填埋和矿山填充）相比，这种方法具有明显优势。这些发现有助于设计出成本低廉、电磁波吸收性能优异且阻抗匹配良好的高效EMW吸收复合材料。

材料

高铝粉煤灰（HAFA）采自中国内蒙古鄂尔多斯市。活性炭（AC）和二氧化硅（SiO?）购自郑州牛特农业科技有限公司。氢氧化钠（NaOH）购自上海麦克林生化有限公司，乙醇购自国药化学试剂有限公司。所有试剂均为分析级，按原样使用，无需进一步纯化。所有洗涤过程均使用去离子水，氩气作为保护气体。

晶体相演变与成分分析

图1(a)展示了复合材料的合成过程。原始粉煤灰和碱处理后粉煤灰的化学成分见表S1。原始粉煤灰主要含有莫来石（JCPDs #09–9328），其衍射峰较弱，表明莫来石结晶度较低（图1b）。约20°处的宽衍射峰表明原始粉煤灰中存在非晶相，如二氧化硅（JCPDs #07–5483）和氧化铝（JCPDs #08–5137）。

结论

本研究成功利用高铝粉煤灰（HAFA）通过简单的碱活化处理及后续碳热还原过程，制备了一系列EMW吸收材料。结果表明，碱浓度的变化显著影响了复合材料的相组成、微观结构和粒径（FA50、FA100、FA150和FA200）。碱活化后，样品展现出可调的结构特征，这些特征直接影响其电磁波吸收性能。

CRediT作者贡献声明

Imrana Salisu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、软件应用、方法论设计、数据分析。 Xiaohui Wang：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、结果验证、项目监督、资金筹集。 Shuhua Ma：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、项目监督、实验设计、资金筹集。 Yanjun Ou：数据可视化、概念构思。 Helong Hui：数据可视化、概念构思。 Luoyun Xu：数据可视化、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国科学研究院和北京自然科学基金（项目编号：2222079）的支持。