通过静电诱导形成的双耦合界面增强了缺陷极化的PBA/MXene异质结构，从而提升了电磁波的吸收性能

《ACTA PHYSICO-CHIMICA SINICA》：Electrostatically induced dual-coupled interfaces of defect polarization enhanced PBA/MXene heterostructures for boosting electromagnetic wave absorption

　　

贾志清|龚新菊|兰迪|孙环环|刘宇|高玉萍|郭思瑶

青岛理工大学土木工程学院，中国山东省青岛市266520

摘要

普鲁士蓝类似物（PBAs）提供了可调的配位框架和内在的孔隙性，但其有限的结构稳定性和衰减能力限制了基于PBA的电磁波（EMW）吸收器的性能。在金属-碳异质结构系统中，这些缺点可以得到显著缓解，然而实现明确的多组分异质界面和可控的磁畴行为仍然具有挑战性。在这里，我们提出了一种静电场辅助策略，用于构建双金属PBA衍生的多类型碳包覆/MXene（NiCo@C@C/MXene）异质结构，这些结构具有精确设计的多组分界面，形成了丰富的静电诱导双耦合界面，作为增强介电损耗的核心机制。MXene纳米片和PDA涂层增强了PBA衍生的碳基质，并形成了多维导电路径，而多类型碳基质、缺陷孔隙性和磁性纳米颗粒共同增强了界面极化和磁损耗。由此产生的协同效应实现了优化的阻抗匹配、强衰减和宽带吸收，使得该材料在仅1.57毫米的超薄厚度下实现了最低反射损耗（RL）为-58.51 dB和有效吸收带宽（EAB）为5.44 GHz。雷达截面模拟进一步揭示了增强EMW耗散的畴耦合网络。这项工作为解决PBA的固有局限性和界面工程挑战提供了一条简洁的途径，从而实现了下一代高性能EMW吸收材料。

引言

信息和通信系统的快速发展使得电磁污染成为环境安全的一个关键问题。未经控制的辐射波会干扰电子设备的准确性，同时对人类健康构成潜在威胁[1]，[2]。因此，能够主要通过转化为热能来耗散入射电磁能量的电磁波（EMW）吸收材料引起了极大的兴趣，成为减轻电磁干扰的有效解决方案[3]，[4]。因此，开发具有强衰减、宽带宽、轻质特性和最小厚度的先进EMW吸收器至关重要[5]，[6]，[7]。

工程化的多孔晶体材料在EMW吸收应用中获得了显著关注。它们独特的结构属性实现了出色的阻抗匹配，促进了入射EMW的高效传输和耗散。然而，传统的多孔材料如活性炭和沸石由于固有的单调孔结构和有限的化学多样性，阻碍了它们向先进EMW吸收系统的进步。普鲁士蓝类似物（PBAs，A_xT[M(CN)₆]·nH₂O）由于其无与伦比的结构和可调组成，最近成为EMW吸收器的有吸引力的前体。具体来说，高温热解将PBAs转化为包含嵌入碳基质中的磁性纳米颗粒的碳-金属复合材料。这种反应产生了高密度的缺陷和异质结构。它们的相互作用优化了电磁损耗路径，在EMW吸收方面表现出卓越的性能[8]，[9]，[10]。王等人开发了一种简单的自组装碳化策略，制备了Co/MnO@NC三元聚合物，展示了显著的最低反射损耗（RL_min）为-61.37 dB和6.32 GHz的有效吸收带宽（EAB）[11]。尽管取得了这些进展，传统的空心结构工程会导致有机配体的显著损失，从而降低碳含量、减弱电导率，并在高温下导致结构坍塌[12]，[13]，[14]。在保持PBA衍生的功能优势的同时解决这些问题仍然是一个未解决的挑战。为此，在退火之前将PBA前体封装在牺牲性的但富含碳的多巴胺（PDA）壳中，提供了一种稳健有效的途径来克服这些限制。

然而，基于PBA的材料通常表现出有限的机械强度和低电导率，这严重限制了它们的实际应用，特别是在复杂或恶劣的环境中。MXene是一类新兴的二维材料，具有出色的机械性能和金属级别的导电性，使其在EMW吸收方面具有前景[15]，[16]，[17]。例如，崔等人展示了通过盐酸和氟化锂处理24小时制备的Ti₃C₂T_x晶体表现出优异的EMW吸收性能。具体来说，当厚度达到4毫米时，样品在17.1 GHz时的RL_min为-27.5 dB，EAB为3 GHz[18]。然而，严重的堆叠、过高的导电性和非磁性特性阻碍了阻抗匹配并降低了吸收效率[19]。令人鼓舞的是，MXenes表面丰富的官能团（–F、–OH和–H）为与各种材料形成复合材料提供了丰富的活性位点，从而实现了稳定的结构和优化的整体导电性。这一结果强调了电磁合作在增强EMW衰减能力中的关键作用。关等人使用简单的水热技术制备了用CoFe-MOFs改性的Ti₃C₂T_x MXene片。在导电网络和多极化损耗之间的协同作用下，PM137样品（厚度为1.57毫米）实现了RL_min为-43.6 dB和EAB为4.72 GHz[20]。因此，将PBA衍生的复合材料与MXene结合，通过利用丰富的异质界面和缺陷位点，为实现高性能EMW吸收器提供了一条合理的途径。

在这项研究中，我们提出了一种基于多组分异质界面工程的策略，用于制造具有电静力诱导双耦合界面的双金属NiCo@C@C/MXene复合材料，这些复合材料具有缺陷极化增强的异质结构，展示了优异的EMW吸收性能。这些复合材料的层次结构在NiCo纳米颗粒、混合结晶碳基质以及MXene层之间诱导了多种异质界面；这促进了界面极化损耗，并显著提高了整体吸收效率。得益于协同电磁损耗、高结构稳定性和极大优化的阻抗匹配的集成优势，NiCo@C@C/MXene复合材料在仅1.57毫米的厚度下实现了RL_min为-58.51 dB（30 wt%），展示了在超薄厚度下的优异吸收能力。总之，这项工作揭示了基于PBA的复合材料中多组分异质界面的设计。所提出的方法为开发下一代高性能EMW吸收器提供了可行的途径。

章节片段

化学物质和材料

Ti₃AlC₂粉末、六氰钴酸钾（III）（C₆CoK₃N₆，99.0%）、盐酸多巴胺（C₈H₁₁NO₂?HCl，98%）、六水合硝酸镍（Ni(NO₃)₂?6H₂O，≥99.0%）和柠檬酸钠二水合物（C₆H₅Na₃O₇·2H₂O，99.0%）从Macklin Reagent Co., Ltd.购买。Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd.提供了盐酸（HCl）、氢氧化铵水溶液（NH₃·H₂O）、氟化锂（LiF）和甲醛溶液（CH₂O）。聚乙烯吡咯烷酮（PVP，(C₆H₉NO)_m）由

结果与讨论

多组分NiCo@C@C/MXene复合材料的合成是通过静电势场驱动的受控组装方法实现的，如图1a所示。在此过程中，使用共沉淀法合成了NiCo-PBA前体。随后，在弱碱性条件下将多巴胺（DA）聚合到PBA表面上，形成了NiCo-PBA@PDA纳米立方体。同时，使用氢氟酸（HF）蚀刻Ti₃AlC₂粉末，获得了类似手风琴的多层Ti

结论

总之，通过共沉淀法、多巴胺涂层和静电自组装后进行碳化，成功构建了一种新型的NiCo@C@C/MXene异质结构。该设计战略性地整合了NiCo-PBA@PDA和MXene的协同优势，同时优化了阻抗匹配并增强了介电和磁损耗行为。实验评估证实，PDA和MXene改性的复合材料表现出优异的性能

CRediT作者贡献声明

贾志清：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资金获取。 孙环环：研究、形式分析。 刘宇：研究、形式分析。 龚新菊：撰写 – 原始草稿、形式分析、数据管理、概念化。 兰迪：研究、形式分析。 高玉萍：数据管理。 郭思瑶：撰写 – 审稿与编辑、资金获取

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了山东省自然科学基金（ZR2022QE049）和国家自然科学基金（51978354）的支持。