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本研究通过协同掺杂-活化共热解法制备了氮掺杂多孔碳纳米片，优化了极化损耗与导电性平衡，实现3wt%低负载下-61.15dB反射损耗及7.40GHz宽频带吸收，显著提升传统碳材料性能。
青毅康|柳英王|顾刘|洁黄|柯军徐|文豪王|凌杰胡|伟超王|斌王|通浩刘
火箭工程大学，西安710025，中国
摘要
基于碳的吸收剂因其低密度和高电导率而被广泛用于电磁波吸收。然而，碳材料的高电导率导致了电导率与极化损耗之间的不匹配，这使得实现轻质和宽频谱波吸收变得复杂。在这项研究中，我们通过一步掺杂-激活协同热解过程合成了一种具有多孔结构的氮掺杂碳纳米片。氮掺杂通过调节异质电荷的分布并在基质中形成局部中心来增强材料的极化损耗能力。多孔碳纳米片提供了丰富的导电路径、异质界面和内部空腔，这可以在保持轻质特性的同时扩展吸收频率范围。此外，通过调整氮元素的掺杂结构和浓度可以精细调节电导率和极化损耗。最终的吸收剂含量仅为3 wt%，反射损耗低至-61.15 dB，有效吸收频率范围为7.40 GHz。与传统碳材料相比，这种纳米片的吸收性能得到了显著提升。总体而言，本研究提出了一种制备氮掺杂碳吸收剂的新方法，并为宽带电磁波吸收剂的设计和优化奠定了基础。
引言
信息技术的快速发展，包括5G网络、自动驾驶和智能家居，极大地提高了日常便利性。同时，电子设备的广泛使用导致电磁辐射急剧增加，这可能会干扰精密电子设备并引发对人类健康的担忧。此外，在军事领域，雷达探测是一种关键的侦察手段。为了躲避敌对力量的探测，需要隐身技术，使武器和设备（例如战斗机和导弹）通过吸收或散射雷达波来降低其可检测性[1]，[2]。这显著增强了军事装备的生存能力和反打击能力，在军事进攻和防御中发挥着关键作用。因此，高效电磁波吸收剂的研究和开发对各个领域都具有重要的理论和实际意义。在迄今为止报道的众多吸波材料中，碳材料因其低密度、高介电损耗、高导电率、良好的加工性能和优异的耐腐蚀性而受到了广泛关注[1]，[3]，[4]，[5]。然而，碳材料固有的高复介电常数通常会导致与自由空间的严重阻抗不匹配。因此，电磁波倾向于在材料表面反射，无法穿透材料内部进行耗散[6]。这严重限制了有效吸收带宽的进一步扩展，并在满足微波吸收材料实际应用的需求方面带来了挑战。
通过调节成分来优化碳材料的电磁参数是一种有效的方法，以解决与碳材料相关的挑战性阻抗匹配和高损耗问题。这主要涉及通过异质原子掺杂修改碳的固有结构，以及通过引入磁性介质或与低介电组分结合来构建多组分复合异质结构[7]，[8]，[9]。在这些策略中，异质原子掺杂可以在调节介电性能的同时有效保持碳材料的轻质特性。例如，高电负性的异质原子，如氮、硫和硼，具有吸引电子的能力。这些异质原子可以改变碳原子的电子云分布，有效破坏碳框架的电子对称性并产生大量电偶极子。由此产生的增强偶极子极化效应有助于衰减电磁能量[10]。此外，掺杂过程中引入的丰富结构缺陷，包括空位和位错，可以作为额外的极化中心，进一步增强介电损耗能力[11]。因此，通过元素掺杂和缺陷引入来调节碳的电子结构是一种有效的策略，可以在减少导电损耗的同时增强碳材料的电磁波吸收性能。在这方面，Li等人[11]使用物理和化学方法将氮原子掺入木质素磺酸钠中。这种掺入增强了材料的介电损耗，使其电磁波吸收性能达到-42.77 dB，吸收带宽为4.16 GHz。在另一项研究中，Wei等人[9]通过异质原子掺杂和缺陷工程调节了碳材料的电子结构。通过这种方法，他们调整了缺陷和迁移能垒，制备了一种新型的氮和硫共掺杂的三维蜂窝碳结构。该材料表现出轻质特性、扩展的吸收带宽和优异的电磁波吸收性能。仅使用8 wt%的填料含量，就实现了60.3 dB的高效损耗，有效吸收带宽为7.36 GHz。然而，已知过度的缺陷生成会损害sp2-共轭碳框架的完整性，严重破坏连续的电子传输路径并阻碍长距离电荷迁移，从而降低材料的固有导电损耗能力[12]，[13]。因此，仔细选择掺杂原子的类型和浓度至关重要。最佳掺杂策略旨在在尽可能大的程度上引入足够的极化中心，同时保持碳基体的导电性。在迄今为止研究的各种潜在掺杂剂中，氮被证明特别有效，因为其原子半径与碳的原子半径相当。这种相似性最小化了晶格畸变和结构不匹配，使氮能够更无缝地掺入碳晶格中，同时促进高效稳定的掺杂，并最大限度地减少对导电网络的干扰，同时增强极化损耗。
除了成分调节外，微观结构设计也可以优化材料的微波吸收性能[14]。由于多孔碳纳米材料具有较大的比表面积（SSA）、丰富的悬挂键和宏观量子隧穿效应，它们可以为电磁波提供丰富的传输路径和异质界面，从而通过诱导多次反射和散射来延长其传播路径，最终增强能量耗散[15]，[16]，[17]。此外，它们丰富的孔结构可以有效降低材料密度，使多孔碳材料成为轻质材料的理想选择。例如，Zhao等人[18]通过简单的发酵和碳化从小麦粉面团中合成了一系列分层多孔碳材料。通过仔细调节发酵时间，成功调节了材料的复杂介电常数和吸收效应。因此，优化后的材料在2.5 mm的厚度下实现了-52.0 dB的吸收强度。在另一项研究中，Bai等人[19]使用纤维素作为原料通过碳化获得了轻质气凝胶。随着碳化温度的升高，碳材料的粒度和石墨化程度增加，导电性显著提高。通过阻抗匹配和衰减的结合，所得材料在20%的填料负载下实现了-51.24 dB的最小反射损耗，表明独特的多孔结构有利于电磁波的吸收。此外，Yang等人[20]通过石油沥青的碳化制备了分层多孔碳纳米片。在极化损耗、导电损耗和多次反射的条件下，他们的材料在1.8 mm的厚度和20%的填料含量下实现了-53.7 dB的吸收强度和5.3 GHz的吸收带宽，证明了多孔和轻质碳材料在增强波吸收性能方面的有效性。
最近的研究表明，轻质的纯碳基氮掺杂多孔结构可以通过定制介电响应和松弛行为来有效改善宽带微波吸收[21]，[22]。同时，许多先进的吸收剂通过引入磁性组分来构建磁介电混合体，尽管这会增加密度和加工复杂性。受到对轻质高效吸收剂需求的驱动，我们旨在通过可控的孔-化学耦合设计在纯碳基系统中实现具有竞争力的吸收性能（不使用磁性填料）。在这里，我们采用了一种简单的溶液基反应结合一步高温热解步骤来制备高性能氮掺杂多孔碳纳米片（NCS）吸收剂。具体来说，这种方法基于涉及异质原子掺杂和多孔结构设计的协同策略。通过精确控制热分解温度来调节掺杂形式和氮的比例，通过破坏碳的电子对称性和引入缺陷来增强极化损耗。碳纳米片内部的稳定且相互连接的多孔结构预计将为电子传输提供交联的导电网络，同时提供丰富的纳米级碳-空气界面以增强电磁波衰减。这些进展对于优化碳材料的阻抗匹配和改善其吸收性能具有重要意义。最后，在低填料含量（即3 wt%）下评估了所得材料的电磁衰减能力和宽带性能。总体而言，这项工作旨在为新一代轻质宽带碳基吸收剂材料的设计和开发提供新的思路。
部分摘录
材料
从Aladdin购买了柠檬酸一水合物（纯度99.995%）、尿素（纯度99.995%）、碳酸钾（纯度99.995%）、盐酸（HCl）（大约36%–38%）、羧甲基纤维素钠（CMC，纯度99.99%）和聚偏二氟乙烯（PVDF，纯度99.99%）。所有实验均使用去离子（DI）水。所有试剂均按接收状态使用，无需进一步纯化。
制备和热处理
如图1(a)所示，NCS的制备和热处理过程如下
NCS吸收剂的表征
NCS-600/700/800样品的微观形态可视化证实了多孔碳纳米片的成功制备，其中孔径可以通过调节温度轻松控制。具体来说，图1(b)-1(d)中的SEM图像显示了规则的碳纳米片表面，并表明形成了相互连接的三维网状结构。在不同的热解条件下，孔径略有变化
结论
在这项研究中，通过溶液工艺和随后的一步高温热解成功制备了氮掺杂多孔碳纳米片（NCS）。氮原子的成功掺杂不仅增强了材料的极化松弛机制，改善了碳纳米片的介电性能，并赋予了良好的阻抗匹配效果，而且还引入了大量缺陷，从而增加了极化和导电损耗。
CRediT作者贡献声明
凌杰胡：撰写——原始草稿，可视化，监督，资源，形式分析，概念化。文豪王：可视化，验证，监督，软件，资源，概念化。柯军徐：可视化，方法论，研究，形式分析。洁黄：撰写——审阅与编辑，软件，资源，方法论，形式分析，数据管理，概念化。柳英王：可视化，资源，项目管理，资金获取，形式
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：柳英王、顾刘报告称得到了火箭工程大学的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了陕西高校青年创新团队和“三秦”人才专项支持计划创新与创业团队的支持；陕西省自然科学基础研究计划（编号2024 J C-YBMS-291）；陕西省高层次人才专项支持计划（编号2020-44）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有可能影响本研究报告工作的财务利益或个人关系。
