通过NiCo?O?纳米片中的氧空位增强缺陷诱导极化，以实现更优异的电磁波吸收性能

通过电沉积和煅烧制备Ni@NiCo2O4纳米复合材料，优化沉积时间提升氧空位浓度，增强电磁波吸收性能，最低反射损耗-53.02 dB，有效带宽4.96 GHz，适用于航空航天等领域，揭示缺陷介电极化机制。

　　

王婷|田忠宁|齐雪莉|刘金元|丁伟晨|贾倩倩|刘明博|程志强|高传辉|李振江|张梦

青岛科技大学化学工程学院，中国青岛 266042

摘要

金属泡沫材料的最新进展有效解决了减轻重量的问题；然而，提高其电磁波吸收性能仍然是一个关键问题。在本研究中，使用市售的镍泡沫作为基底，通过电沉积法合成了镍钴前驱体。随后，通过煅烧将该前驱体转化为镍钴酸盐纳米片阵列，得到了新型的Ni@NiCo₂O₄纳米复合材料（NF@NCO）。通过延长恒电位下的电沉积时间，提高了NiCo₂O₄纳米片的产率和氧空位含量，从而增强了入射电磁波的极化损耗。作为有前景的吸收剂，经过优化的NF@NCO-1500样品凭借极化损耗、磁损耗和多次散射效应，表现出优异的最小反射损耗（RL_min）为?53.02 dB和有效的吸收带宽（EAB）为4.96 GHz。因此，它适用于航空航天、隐身技术和宽带通信等领域。重要的是，所提出的吸收机制为研究富含空位的吸收剂的衰减机制提供了宝贵见解，为设计和开发其他高性能磁损耗吸收剂奠定了基础。

引言

过去十年中，信息技术的广泛应用和无线通信技术的深度融合引发了日益严重的电磁污染问题[[1], [2], [3]]。这种污染可能导致信号干扰，进而影响周围环境的通信质量，破坏精密仪器的正常运行，导致数据错误或控制失败，甚至可能引发健康风险[4]。为了解决电磁污染带来的挑战，人们开发并应用了电磁波吸收剂，这些吸收剂能够有效减轻电磁辐射，保护敏感目标或设备免受干扰[[5], [6], [7]]。

目前，电磁波吸收材料主要分为三类：介电吸收剂[8,9]、磁吸收剂[10,11]和介电/磁复合吸收剂[12,13]。在各种吸收剂中，磁性金属因具有优异的导电性和独特的磁性能而成为波吸收的突出候选材料[11]。这些性能有助于实现显著的导电损耗和磁损耗机制，从而减弱入射电磁波。然而，电子产品设计中的趋势，如追求轻量化、高便携性、高集成度和可穿戴性，对材料提出了新的、更严格的要求。因此，电磁波吸收材料必须相应地发展，特别是在实现轻量化设计与增强吸收性能之间的最佳平衡方面[14,15]。

镍泡沫（NF）具有高导电性、高孔隙率、大比表面积和自支撑特性，具有潜在的波吸收应用前景[16]。从结构上看，NF是一种由相互连接的镍骨架和有序多孔网络组成的特殊材料。这些相互连接的多孔结构会在材料内部引起多次反射和散射，从而提高其吸收性能。然而，在实际应用中，NF会受到趋肤效应的影响，导致入射电磁波的大量反射，从而显著降低吸收效率。此外，其相关的电磁损耗机制通常较为单一，缺乏足够的介电损耗。

异质界面构建和局部缺陷引入可以在单个磁吸收剂中分别诱导界面极化或偶极极化，有效促进电磁波的衰减[17,18]。Ji等人采用简便的液相法在多孔NF上合成了Co₃O₄纳米线。最佳的NF@Co₃O₄样品在2.1 mm厚度时表现出最小反射损耗（RL_min为?41.1 dB，并在2.3 mm厚度时实现了最宽的有效吸收带宽（EAB）为3.46 GHz[19]。此外，Wu等人通过溶剂热法制备了层次状的类似蒲公英结构的NiCo₂O₄（HDNCO），经过2小时的奥斯特瓦尔德熟化处理后，2.1 mm厚度时的RL_min为?45.08 dB；而经过9小时熟化的HDNCO材料在2.2 mm厚度时实现了5.78 GHz的EAB[20]。Wu等人还通过沉淀-水热法合成了含有不同尺寸构建块的NiCo₂O₄（NCO）吸收剂，其中由零维纳米粒子和一维纳米棒组装的球形NCO吸收剂在1.88 mm厚度时实现了5.84 GHz的EAB，其RL_min达到?42.8 dB[21]。

基于现有的磁性微波吸收材料研究，我们通过电沉积和煅烧工艺在NF基底上成功合成了不同厚度的NCO纳米片，并在NCO晶格中引入了氧空位缺陷，制备了NF@NCO样品。通过调节电沉积时间，精确控制了NCO纳米片的厚度，并同时优化了氧空位浓度。在本研究中，NCO纳米片与NF基底之间形成的异质界面有效地弥补了纳米复合材料中介电损耗的不足，通过界面极化显著增强了材料的电磁波衰减能力。氧空位缺陷引起的极化损耗对于提高电磁波吸收性能至关重要。本研究提出了一种基于过渡金属的轻质高性能吸收材料的新策略，并为磁吸收剂的介电损耗机制提供了新的见解和实验证据。

材料

NF购自昆山佳意盛电子有限公司，而六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂·6H₂O）和六水合硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）购自中国医药化工试剂有限公司。所有使用的试剂均为分析纯。

NF@NCO的制备过程

将3.6 mmol的Ni(NO₃)₂·6H₂O和7.2 mmol的Co(NO₃)₂·6H₂O溶解在去离子水中（120 mL），经过20分钟磁力搅拌后得到粉红色混合溶液。随后，通过电沉积法制备前驱体

结果与讨论

图1(a)展示了NF@NCO纳米复合材料的合成过程示意图。图1(b–e)展示了不同沉积时间下合成的纳米复合材料的形态演变。从图S1(a)可以看出，所得NF@NCO纳米复合材料继承了原始NF的三维网络结构，尺寸变化不大。产品表面出现了原始NF中不存在的微小裂纹，这与热膨胀不匹配有关

结论

通过简单的电沉积过程，本研究在NF上制备了一系列富含氧空位的层状NiCo₂O₄纳米片结构。进一步深入分析NF@NCO复合材料发现，NF@NCO-1500样品具有层状纳米片结构和最高的氧空位含量，表现出优异的电磁波吸收性能。此外，NF@NCO-1500复合材料的最佳RL_min达到了?53.02 dB

CRediT作者贡献声明

王婷：撰写——原始稿件、可视化、软件处理、实验研究。田忠宁：验证、软件处理、数据管理。齐雪莉：撰写——审稿与编辑、可视化、数据分析。刘金元：软件处理、方法学设计。丁伟晨：验证、软件处理、方法学设计。贾倩倩：项目管理、数据分析。刘明博：资源协调、数据管理。程志强：项目监督、项目管理、数据分析。高传辉：撰写——审稿与编辑

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52102106、52202262、22379081、22379080）和山东省自然科学基金（项目编号：ZR2023QE059）的财政支持，以及中国博士后科学基金（项目编号：2023M741871、2024M761875）的资助。