《Journal of Alloys and Compounds》：Fabrication of cellulose/ZIF-67 derived magnetic carbon composite aerogels for broadband and high-efficient electromagnetic wave absorption
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Jinqing Xing|Leilei Xu|Ruiwen Shu|Konghu Tian
安全精准煤矿开采国家地方联合工程研究中心，安徽理工大学化学与爆破工程学院，淮南232001，中国
摘要
基于生物质的碳基电磁波（EMW）吸收材料受到了广泛关注，这主要归因于它们的环保特
Jinqing Xing|Leilei Xu|Ruiwen Shu|Konghu Tian
安全精准煤矿开采国家地方联合工程研究中心，安徽理工大学化学与爆破工程学院，淮南232001，中国
摘要
基于生物质的碳基电磁波（EMW）吸收材料受到了广泛关注，这主要归因于它们的环保特性和可持续的来源。然而，研究人员在实现优异的EMW吸收性能时面临两大挑战：阻抗不匹配和有限的损耗机制。在这项工作中，通过化学交联、静态老化和碳化过程制备了纤维素/沸石咪唑框架-67（ZIF-67）衍生的磁性碳复合气凝胶。环氧氯丙烷交联反应形成了一个强三维多孔网络，从而制备出了轻质复合气凝胶。值得注意的是，所得到的磁性碳复合气凝胶在填充比为15 wt.%、碳化温度为750 °C的情况下，表现出优异的EMW吸收性能。在最佳厚度2.57 mm时，该复合气凝胶的反射损耗最低为-54.70 dB，有效吸收带宽最宽，达到6.48 GHz，覆盖了整个Ku波段。此外，该复合气凝胶的雷达截面积最小，为-50.6 dB m2，显示出在雷达隐身技术中的广泛应用前景。同时，本文还提出了可能的EMW衰减机制。这项工作为开发基于纤维素的碳基复合气凝胶作为宽带高效EMW吸收剂提供了指导。
引言
随着电磁波（EMW）技术在无线通信、雷达、医疗和工业等关键领域的广泛应用，其作为信息传输和无线能量传输的核心载体的重要性日益凸显[1]，[2]。然而，大规模应用也带来了不可忽视的风险：一方面，电磁辐射容易干扰精密电子设备，从而危及数据链的完整性和可靠性；另一方面，长期或高强度暴露于EMW可能对生物组织造成潜在危害[3]，[4]。因此，开发能够有效衰减EMW的新类型吸收材料已成为确保电磁安全和促进相关技术可持续发展的关键科学挑战。碳气凝胶凭借其高孔隙率和可控的导电网络结构，在应对这一挑战方面表现出优异的EMW吸收性能[5]。
沸石咪唑框架-67（ZIF-67）是通过钴（Co）离子与2-甲基咪唑（2-MIM）配体之间的金属-配体键合形成的。它具有规则的形状、高比表面积和优异的稳定性[6]，[7]，[8]。在碳化过程中，有机配体被碳化形成氮掺杂碳（NC）框架，而Co离子被还原为磁性金属或金属氧化物，从而获得具有多孔结构和磁电协同效应的磁性碳复合材料，在EMW吸收方面具有巨大潜力[9]，[10]。例如，Ma等人通过在惰性气氛下热解涂有多巴胺的ZIF-67负载的氧化石墨烯（ZIF-67@PDA/GO），成功制备了钴@碳氮/还原氧化石墨烯（Co@CN/rGO）复合材料。其中，Co@CN/10%rGO复合材料表现出优异的EMW吸收性能，最小反射损耗（RL_min）为-49.98 dB，有效吸收带宽（EAB）为5.70 GHz。微观结构分析表明，该复合材料具有丰富的核壳和层状异质界面，可以有效增强入射波的损耗。同时，来自ZIF-67的磁性成分和导电rGO的协同作用增强了EMW衰减能力[11]。Liu等人在棉织物基底上制备了ZIF-67衍生的柔性吸收膜，通过调节三聚氰胺的用量，成功构建了具有三维（3D）多尺度层次结构的复合材料。当填充比（?_w）为15 wt.%时，该复合材料在厚度为2.06 mm时表现出优异的EMW吸收性能，EAB为6.3 GHz。这种优异的性能归因于其多尺度层次结构对阻抗匹配的优化以及导电损耗和极化损耗的有效协同作用[12]。
纤维素作为一种广泛可用且低成本的可再生生物质，是制备高性能碳气凝胶的理想前体[13]，[14]。通过特定方法制备的纤维素复合气凝胶具有低密度、高孔隙率、强EMW吸附能力和良好的生物相容性，在环境治理和能源领域展现出广泛的应用前景[15]，[16]，[17]。对于EMW吸收的应用，通过碳化纤维素获得的碳气凝胶具有可调的导电性和良好的EMW吸收性能[18]，[19]。纤维素/ZIF-67衍生的磁性碳复合气凝胶可以通过静态老化和高温碳化过程将纤维素与ZIF-67结合制备。由此构建了具有均匀分布的Co/C颗粒的3D互连多孔结构，优化了阻抗匹配并增强了界面极化[20]。
在本研究中，通过化学交联、静态老化和高温碳化过程制备了纤维素/ZIF-67衍生的磁性碳（C/NC/Co/CoO）复合气凝胶。研究了碳化温度对制备的磁性碳复合气凝胶的电磁参数和EMW吸收性能的影响。研究结果表明，复合气凝胶具有独特的3D多孔网络结构，大量具有十字形形态的NC/Co/CoO颗粒均匀分布在纤维素衍生的碳壁上。具体而言，当碳化温度为750 °C时，所得到的C/NC/Co/CoO复合气凝胶在厚度为2.57 mm、填充比为15 wt.%时，表现出最佳的RL_min为-54.70 dB和最大的EAB为6.48 GHz。此外，模拟的雷达截面积（RCS）值低至-50.6 dB m2。通过分析结构与性能之间的相关性，建立了基于界面极化、导电损耗和磁损耗协同效应的EMW吸收机制。
章节片段
纤维素水凝胶的合成
首先，制备了由氢氧化钠（NaOH）、尿素和去离子水组成的总质量为100 g（质量比为7:12:81）的溶液。然后，将4 g纤维素粉末分散在上述溶液中，并在-12 °C下预冷1小时。经过30分钟的机械搅拌后，纤维素完全溶解。接着加入10 mL环氧氯丙烷（ECH），然后剧烈搅拌1小时。将溶液转移到玻璃管中并保存
结构、成分和磁性质的表征
样品的晶体结构通过X射线衍射（XRD）进行表征。S1?S3（图2(a)）的XRD分析显示，所有样品在大约25°处都呈现出一个特征性宽峰，这被鉴定为碳的（002）晶面[22]，[23]。36.68°和42.61°的两个明显峰分别对应于CoO的（111）和（200）晶面（JCPDS No. 75-0418）[24]。44.22°、51.52°和75.85°的衍射峰可以归属于（111）、（200）和
结论
总之，C/NC/Co/CoO复合气凝胶是通过化学交联、静态老化和高温碳化过程制备的。微观结构分析表明，复合气凝胶独特的3D多孔网络结构使得入射波在孔壁之间发生多次散射，从而有效延长了损耗路径。此外，多组分特性和丰富的异质界面表现出协同效应
CRediT作者贡献声明
Ruiwen Shu：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、资金获取、概念构思。Leilei Xu：软件开发、数据管理。Konghu Tian：撰写 – 审稿与编辑、资源管理、方法论、形式分析。Jinqing Xing：撰写 – 初稿撰写、软件开发、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
本工作得到了安全精准煤矿开采国家地方联合工程研究中心基金（编号EC2022020）、武汉纺织大学新型纺织材料与先进加工国家重点实验室（编号FZ2025028）和安徽省自然科学基金（编号2008085J27）的支持。
