【ACHM】 郑州大学范冰冰教授团队:多孔碳中经过 Fe/Ti 修饰的增强低频微波衰减:基于界面微观结构和化学态尺度的衰减机制
【Adv. Compos. Hybrid Mater.】 河南省科学院/郑州大学范冰冰教授团队：多孔碳中经过 Fe/Ti 修饰的增强低频微波衰减：基于界面微观结构和化学态尺度的衰减机制
全文摘要
随着电子信息技术的飞速发展，电磁波污染问题日益严峻，开发轻量化、宽频带、高性能的电磁波吸收材料成为迫切需求。然而，大多数生物质衍生碳材料由于损耗机制单一且低频段衰减能力不足，严重限制了其实际应用。在此，郑州大学范冰冰教授研究团队提出了一种Fe/Ti多尺度界面与化学态协同调控的策略，实现了生物质碳在低频区域的高效微波吸收。他们以竹子为前驱体，通过Fe离子催化石墨化构建了磁性多孔碳纳米管网络（MPCN），随后在强磁场辅助下引入二维Ti₃C₂Tx纳米片进行界面重构，成功构筑了含有丰富Ti-Fe-C固溶体和多重异质界面的MPCN&TiC复合材料。这种独特的结构引入了高密度的极化中心和复杂的Fe/Ti化学配位环境，在原子尺度上形成了显著的电子非均匀性，驱动了强烈的界面极化和电荷重新分布。最终，MPCN&TiC在仅为5.0 mm的厚度下，于4.6 GHz的低频处实现了高达-54.0 dB的最小反射损耗，有效吸收带宽为1.7 GHz；而对比样MPCN仅在14.2 GHz（厚度1.3 mm）处表现出-19.5 dB的弱吸收。这项工作为通过缺陷工程与异原子配位来精确调控生物质衍生碳的微观结构和电子环境，从而实现高效、可调的低频电磁波吸收提供了合理的策略。
图文速递
图1：复合材料的形貌与孔结构表征
图1：复合材料的形貌与孔结构特性。（A）合成过程机理图；（B-E）为SEM照片，其中B和C（D和E）分别指代MPCN的形貌结构及元素分布；（F、G）分别为MPCN和MPCN&TiC的TEM照片，I、II、III对应不同放大倍数下的图像结构；（H、I）分别为基于BET的氮气吸附-脱附等温线及孔径分布图。
图2：多孔碳材料的物理化学特性
图2：多孔碳材料的物理化学特性。（A）XRD图谱；（B）基于XRD的结晶度；（C）拉曼光谱；（D-I）反映了XPS信息（D：XPS全谱；E：C 1s；F：O 1s；G：MPCN的Fe 2p；H：MPCN&TiC的Fe 2p；I：Ti 2p）。
图3：XAFS表征的MPCN&TiC化学结构与原子配位环境
图3：MPCN&TiC的化学结构与原子配位环境XAFS表征。（A、B）Fe K边和Ti K边的归一化XANES谱图；（C、D）R空间的EXAFS曲线及对应的拟合曲线；（E-H）EXAFS的小波变换图；（I）基于DFT计算的理论模型表面电荷分布。
图4：复合材料的微波吸收性能
图4：复合材料的微波吸收性能。（A、B）MPCN和MPCN&TiC的3D反射损耗值；（C、D）MPCN和MPCN&TiC在不同厚度下的2D反射损耗值；（E、F）MPCN和MPCN&TiC的有效吸收带宽（＜-10 dB）。
图5：复合材料的电磁参数
图5：复合材料的电磁参数。（A、B）复介电常数的实部与虚部；（C）介电损耗角正切；（D、E）复磁导率的实部与虚部；（F）磁损耗角正切；（G）Cole-Cole图；（H）阻抗匹配；（I）衰减常数。
图6：微波吸收机制示意图
图6：Ti-Fe-C异质结构的结构模型及相关微波吸收机制示意图。
研究结论
综上，本工作通过Fe辅助石墨化并引入Ti₃C₂Tx，成功设计并制备了生物质衍生的磁性多孔碳纳米管，实现了高效的电磁波吸收。Fe催化剂促进了纳米管的形成和石墨化，而Ti₃C₂Tx的引入则产生了大量的缺陷、异质界面以及Ti-Fe-C固溶体。全面的结构与光谱分析表明，这些特征协同增强了界面极化、介电损耗，并优化了阻抗匹配。因此，MPCN&TiC展现了出色的低频吸收性能（在4.6 GHz处RLmin = -54.0 dB，厚度5.0 mm），而MPCN主要在高频区域实现吸收（在14.2 GHz处RLmin = -19.5 dB，厚度1.3 mm）。这些发现强调了缺陷调控和异原子配位在调节介电与磁响应中的重要性，为利用生物质前驱体设计轻质、可持续、宽带的电磁波吸收器提供了理论和实验基础。
原文链接
Enhanced low-frequency microwave attenuation in porous carbon modified with Fe/Ti: attenuation mechanisms based on interfacial microstructure and chemical state scales
Qingwen Fan, Ling Xin, Chaoyun Song, Mengya Sun, Bingbing Fan*
Advanced Composites and Hybrid Materials (2026).
https://doi.org/10.1007/s42114-026-01822-7
文献内容
1. 题目
Fe/Ti修饰多孔碳增强低频微波衰减：基于界面微观结构和化学态尺度的衰减机制
Enhanced low-frequency microwave attenuation in porous carbon modified with Fe/Ti: attenuation mechanisms based on interfacial microstructure and chemical state scales
2. 摘要
电磁波污染随着电子技术的快速扩张而产生，使得轻量化、宽带、高性能的吸收剂成为必要。然而，大多数竹子衍生碳仍然受限于单一的介电损耗主导机制和低频段有限的衰减能力，这严重限制了它们在电磁波吸收中的实际应用。在此，我们以Fe离子为石墨化催化剂合成了竹子衍生的磁性多孔碳（MPCN&TiC），并进一步在强磁场下进行改性以引入二维Ti₃C₂Tx。结构和成分分析表明，Fe促进了石墨化和孔洞的形成，而Ti₃C₂Tx引入了大量的缺陷、界面极化中心和Ti-Fe-C固溶体。对Fe和Ti的多种化学态的鉴定表明，原子尺度上的电子非均匀性是增强介电极化和在异质界面处进行高效电荷重新分布的驱动力。结果，MPCN&TiC在4.6 GHz、5.0 mm厚度下实现了-54.0 dB的最小反射损耗，并在低频区域伴随有1.7 GHz的有效吸收带宽。相比之下，MPCN在更高频率处表现出强吸收（14.2 GHz处-19.5 dB，1.3 mm厚度）。这种截然不同的吸收行为归因于缺陷工程、杂原子配位和阻抗匹配优化的协同效应。这项工作展示了一种合理的策略，通过调控生物质衍生碳的微观结构和电子环境，以实现高效且可调的电磁波吸收，特别是在低频范围内。
3. 引言
随着电子信息技术的快速发展，随之而来的严重电磁波辐射污染问题已成为一个重大关切。为了有效解决这一问题，开发高性能电磁波吸收材料变得日益关键。然而，传统的电磁波吸收材料常常受到吸收效率低、频率响应范围窄以及重量过大等限制。因此，迫切需要开发轻质且灵活的高性能电磁波吸收材料，以满足多样化应用场景的实际需求。生物质衍生多孔碳因其固有的低密度、可再生且低成本的前驱体、丰富的分级孔结构和大比表面积等优势，在电磁波吸收应用中受到越来越多的关注。……尽管有这些优点，大多数已报道的生物质衍生多孔碳仍然主要依赖于介电损耗，常常存在不完全的阻抗匹配，并且倾向于主要在高频区域表现出强吸收，这使得在有限的厚度下很难在低频段实现高效且稳定的衰减。……在这项工作中，我们采用Fe离子作为热化学转化过程中的石墨化催化剂，以调控生物质衍生碳的电子结构，并生成多孔、导电的网络框架。随后，在强磁场下进行二次碳化，将多孔碳与二维Ti₃C₂Tx相结合，形成了富含缺陷、异质界面和Ti-Fe-C固溶体的竹子衍生磁性多孔碳（MPCN&TiC）。我们系统地将Fe和Ti的微观结构组织、化学状态和配位环境与复合材料的电磁参数和电磁波吸收性能相关联。在此基础上，详细阐明了电磁波吸收机制——涵盖介电/磁损耗、极化过程以及阻抗匹配。因此，本研究为通过精确调控生物质衍生多孔碳基复合材料的化学成分和微观结构，以实现高效、可调、特别是低频的电磁波吸收，提供了一条可行的途径和理论指导。
4. 总结
总而言之，本工作通过Fe辅助石墨化和Ti₃C₂Tx的引入，成功设计了生物质衍生的磁性多孔碳纳米管，以实现高效的电磁波吸收。Fe催化剂促进了纳米管的形成和石墨化，而Ti₃C₂Tx的引入则产生了大量的缺陷、异质界面以及Ti-Fe-C固溶体。全面的结构与光谱分析表明，这些特征协同增强了界面极化、介电损耗，并优化了阻抗匹配。因此，MPCN&TiC展现了出色的低频吸收性能（在4.6 GHz处RLmin = -54.0 dB，厚度5.0 mm），而MPCN主要在在高频区域实现吸收（在14.2 GHz处RLmin = -19.5 dB，厚度1.3 mm）。这些发现强调了缺陷调控和异原子配位在调节介电与磁响应中的重要性，为利用生物质前驱体设计轻质、可持续、宽带的电磁波吸收器提供了理论和实验基础。
文献深度分析
1. 该文献主要是做了什么，有什么发现和亮点？
·核心工作：
o设计新策略：提出了一种Fe/Ti多尺度界面与化学态协同调控的策略，通过在生物质碳中构建复杂的电子非均匀性来增强低频微波吸收。
o构筑新结构：以竹子为原料，通过Fe催化石墨化并原位负载二维Ti₃C₂Tx，成功构建了富含Ti-Fe-C固溶体和多重异质界面的磁性多孔碳纳米管（MPCN&TiC）。
·主要发现与亮点：
o多重化学态驱动的极化增强：通过XPS和XAFS精确解析了材料中Fe²⁺/Fe³⁺/Fe⁰及多种Ti-O/C/Fe配位的共存。这种原子尺度的电子非均匀性是增强界面极化和偶极子弛豫，从而高效耗散低频微波的核心驱动力。
o协同衰减机制：阐明了MPCN&TiC的优异吸收性能源于多重散射（多孔结构）、导电损耗（碳网络）、界面极化（多相异质界面）以及Fe/Ti配位驱动的介电增强这四大机制的协同作用。
o频率调控吸收：成功实现了材料吸收频带的灵活调控。纯MPCN表现为高频吸收（14.2 GHz, -19.5 dB），而引入Ti₃C₂Tx后的MPCN&TiC则转变为高效的低频吸收（4.6 GHz, -54.0 dB），实现了“一箭双雕”的频率选择性吸收效果。
o机理深度解析：结合XAFS与DFT理论计算，在原子/电子层面揭示了Fe-Ti电子耦合引发电荷重新分布、形成内建电场、进而增强极化的微观机制，为材料设计提供了坚实的理论支撑。
2. 详细的实验制备过程
1.前驱体处理：将竹子切片，在FeCl₃溶液中持续煮沸处理，确保Fe³⁺充分渗透进入竹子内部。
2.高温碳化（制备MPCN）：将处理后的竹子前驱体在惰性气氛中进行高温碳化，以10 °C/min升温至500 °C并保温2小时，然后以5 °C/min升温至1500 °C并保温2小时，得到磁性多孔碳纳米管（MPCN）。此过程中，Fe³⁺作为催化剂促进石墨化和碳纳米管生长。
3.构建复合物（制备MPCN&TiC）：将制备好的MPCN与Ti₃C₂Tx以4:1的质量比混合，在超声条件下均质化。
4.强磁场辅助二次碳化：将上述混合物在乙炔（C₂H₂）气氛、强磁场存在下进行低温热化学沉积，以5 °C/min升温至700 °C并保温1小时。此过程实现了Ti₃C₂Tx在碳纳米管内的原位生长与界面反应，最终得到目标产物MPCN&TiC。
3. 得到的创新结果和对其的证明手段
·创新结果1：成功构建富含多重固溶体和异质界面的MPCN&TiC结构➔证明手段：SEM/TEM确认了多孔碳纳米管形貌及Ti₃C₂Tx的沉积；XRD和Raman揭示了Ti₃C₂Tx引入后结晶度和缺陷密度的变化；EDS元素分布证实了Fe/Ti元素的区域特性与共存。
·创新结果2：Fe和Ti的多种化学态及配位环境是极化增强的根源➔证明手段：XPS精细谱证实了Fe²⁺/Fe³⁺及多种Ti-O化学态共存；XAFS（XANES和EXAFS）揭示了Fe和Ti的高价态及低配位数的局部环境；小波变换明确了Fe-Ti耦合的原子空间分布。
·创新结果3：Fe-Ti电子非均匀性驱动电荷重新分布并增强极化➔证明手段：DFT计算直观地展示了Fe和Ti原子间的电荷转移、局部电子密度差异以及内建电场的形成。
·创新结果4：实现优异的低频强吸收并阐明了吸收频带调控机制➔证明手段：矢量网络分析仪测试表明MPCN&TiC在5.0 mm / 4.6 GHz处RLmin达-54.0 dB；通过对比MPCN（高频吸收）与MPCN&TiC（低频吸收）的电磁参数，结合Cole-Cole图、阻抗匹配和衰减常数分析，阐明了衰减机制从单一导电损耗为主导向导电损耗+极化损耗协同作用的转变。
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