综述：用于电磁波吸收的金属单原子材料：最新进展与挑战

《Materials Research Bulletin》：Metal Single-Atom Materials for Electromagnetic Wave Absorption: Recent Advances and Challenges

金属单原子材料（M-SAs）因其独特的电子结构、高原子利用率及优异电磁波吸收性能，成为下一代吸波材料的研究热点。本文系统评述M-SAs的合成方法、性能优化策略及吸收机制，强调其在轻量化、低填充比条件下的卓越表现，同时指出稳定性、规模化制备等挑战。未来需聚焦新材料开发、合成技术革新及多尺度性能调控。

　　

王子明|孙光明|仓瑞白|张新奇

教育部光子与电子带隙材料重点实验室，哈尔滨师范大学物理与电子工程学院，哈尔滨，150025，中国

摘要

电磁波（EMW）吸收材料在现代科学和技术中得到广泛应用，特别是在雷达隐身、通信和电磁干扰防护领域。金属单原子材料（M-SAs）由于其独特的电子结构、高原子利用率、强偶极极化损耗和轻质特性而表现出优异的EMW吸收性能。本文综述了M-SAs在EMW吸收方面的合成方法、性能和应用现状的最新进展，分析了国内外在这方面的研究进展，包括材料设计、性能优化以及EMW吸收机制的讨论。强调了探索新材料、改进合成技术和优化其性能的重要性。最后，还讨论了M-SAs作为EMW吸收材料所面临的挑战和未来发展方向。我们希望这项研究能为M-SAs的设计和合成提供新的见解，推动该领域基础理论和工业应用的深入发展。

引言

电磁波（EMW）吸收材料在现代技术中发挥着重要作用，广泛应用于雷达隐身、通信设备和电磁干扰防护[1]、[2]、[3]。随着信息技术的快速发展，电磁污染已成为一个严重问题；因此，开发高效的EMW吸收材料变得至关重要[4]、[5]、[6]。现有的EMW吸收材料主要包括金属、陶瓷和碳基材料，但它们在吸收性能、重量、厚度和加工难度方面仍存在挑战[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]。

在众多材料中，金属单原子材料（M-SAs）由于其独特的结构和优异的电磁性能而展现出巨大的应用潜力。M-SAs是分散在碳、金属有机框架或氧化物等支撑介质上的单个金属原子。与纳米颗粒或团簇不同，这些材料具有孤立的金属中心、均匀的配位环境以及可调的电子结构。在EMW吸收方面，M-SAs具有明显优势：孤立的金属原子可以通过调节支撑介质的局部导电性来调控导电损耗；同时，它们在金属中心周围产生不对称的电荷分布，从而增强偶极极化[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。这些特性与高原子利用率和强介电极化相结合，使得M-SAs实现了优异的EMW吸收性能。例如，研究表明，将单原子钴（Co-SAs）分散在氮掺杂的碳球（NHCS）上可以有效改善EMW吸收性能，并在低填充比下实现优异的反射损耗[18]。与传统吸收剂相比，这体现了高原子利用率和低填料含量下的强吸收能力。此外，M-SAs独特的电子结构使其能够控制与电磁波的相互作用，从而实现更高效的电磁吸收。2022年，Shi等人通过在氮掺杂的碳纳米材料上构建非平面Fe-SAs，显著提高了介电损耗性能[19]。这一例子表明，可调的电子结构在介电损耗优化方面优于传统金属或合金。2023年，Li等人使用模板辅助方法制备了孤立的Co-SAs，在低填料含量下表现出高效的EMW吸收性能，尤其是反射损耗和有效的吸收带宽[18]。这显示了与较重的磁性合金相比，轻质高性能吸收剂的潜力。2021年，Gao等人制备了一种N锚定的锌金属单原子EMW吸收材料，Zn-N₄含量高达18.4%，并具有显著的介电损耗[20]。这强调了精确的原子配置对调控介电性能的重要性。2022年，Xu等人提出了一种二次离子吸附和缺陷锚定策略，制备了含有孤立钴单原子的氮掺杂石墨烯气凝胶，在极低填充比下实现了99.999%的电磁能量衰减[22]，体现了单原子材料在极低负载下的近乎完全吸收能力。这些研究表明，M-SAs的配置和基底材料的选择对其吸收性能有显著影响。此外，关于吸收机制的研究主要集中在理论建模和计算方法上。例如，2021年，Huang等人构建了单锌原子和氮掺杂碳壳的协同模型，通过优化局部电势实现了优异的EMW吸收性能[23]。2015年，Zhang等人控制了单铌原子的位置和浓度，揭示了EMW吸收的共振特性[24]。Yuan等人研究了分散在氮掺杂纳米碳中的单个铁原子的介电行为，发现其增强的介电性能与电导率和介电松弛的改善密切相关[25]。2022年，Gao等人研究了氮掺杂碳纳米笼中亚纳米铁团簇的介电极化机制[26]。在探索EMW吸收机制的过程中，研究人员发现单原子材料的性能与其微观结构和电子特性密切相关。例如，2022年，Wang等人研究了氮掺杂碳纳米管中锰原子的分布及其对介电损耗的影响，并提出通过调整单原子配置来优化吸收性能[27]。这些研究共同强调了M-SAs在精确调控微观结构-性能关系方面的优势。与其他先进的吸收剂（如MXenes、磁性合金和分级碳结构）相比，M-SAs具有独特的优势：它们实现了最高的原子效率、可调的电子结构以及在低填料含量下的高吸收性能，而MXenes和磁性合金通常需要更高的负载量或具有较高的重量，分级碳结构对局部电子结构的控制能力有限。这种比较分析不仅突出了M-SAs的独特优势，也为理解其在EMW吸收中的新兴作用奠定了基础。

总之，M-SAs的最新进展表明，由于其独特的电子结构、高原子利用率和可调的微观结构-性能关系，它们作为下一代EMW吸收材料具有巨大的潜力[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]。实验和理论研究都强调了材料设计、合成优化和性能提升的策略，为理解其吸收机制提供了深入的见解。尽管取得了这些有希望的进展，但仍需解决复杂的合成过程、实际条件下的稳定性以及可扩展性等挑战。继续探索新型M-SA系统、改进制造技术并优化其电磁性能对于充分发挥其应用潜力至关重要。这些进展不仅将深化基础理解，还将促进高性能、轻质和高效EMW吸收材料的工业应用。

节选内容

金属单原子EMW吸收材料的现状

近年来，中国在单原子材料的合成和表征方面取得了显著进展。研究人员使用多种合成方法制备了单原子铁、钴、锰等，并在EMW吸收领域进行了广泛研究。为了系统评估单原子材料的EMW吸收性能，表1总结了它们的合成策略、主要衰减机制、结构设计和配位环境。

单原子材料的EMW吸收机制

在探索单原子材料的电磁波吸收性能方面，国际学术界取得了一系列重要进展。这些研究不仅开发了各种理论模型和计算方法，还利用这些工具来解释和指导实验结果。例如，2015年，Zhang及其研究团队运用密度泛函理论（量子力学中的强大计算工具）对

单原子EMW吸收材料面临的挑战

在使用单原子材料的EMW吸收领域，尽管取得了一些显著进展，但仍存在一些限制，主要包括稳定性、重复性和应用场景的局限性。

稳定性是当前研究中的一个主要挑战。在单原子材料的合成和操作过程中，由于温度、湿度和氧化条件等环境因素的影响，金属原子可能会聚集或迁移，从而降低EMW吸收性能

单原子EMW吸收材料的未来与发展前景

单原子材料在EMW吸收领域的研究正在不断进步。未来的发展预计将集中在三个关键方面：新材料的探索、合成技术的改进以及性能优化的系统策略的建立。此外，理论和计算方法将在指导材料设计方面发挥越来越重要的作用（图4）。

首先，新单原子的探索

结论

由于独特的电子结构、高原子利用率、强偶极极化和低密度，M-SAs作为EMW吸收材料具有巨大潜力。它们的吸收性能强烈依赖于单原子配置、基底选择和局部化学环境，这些因素影响介电损耗、界面极化和整体衰减。最新研究表明，将金属原子分散在氮掺杂的碳支撑介质上、优化配位位点以及调整

CRediT作者贡献声明

王子明：撰写——审稿与编辑，概念构思。孙光明：研究，数据管理。仓瑞白：撰写——初稿，研究。张新奇：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，研究，正式分析，数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号12074095、12374392和52403351）和黑龙江省自然科学基金联合指导项目（LH2023A012）的财政支持。

利益冲突声明

作者声明没有竞争性财务利益。