新型超薄吸波材料：铁单原子与多尺度孔隙协同实现10GHz宽带高效电磁吸收

发布时间：2026.01.09
作者：wemaxnano

研究背景

在5G/6G时代，日益密集的电磁波在便利我们生活的同时，也带来了不容忽视的电磁干扰与污染问题。高性能电磁波吸收（EMA）材料，作为一种能将有害电磁能转化为热能等耗散掉的解决方案，其核心目标是实现“薄、宽、强”：即在尽可能薄的厚度下，拥有尽可能宽的有效吸收带宽（EAB）和尽可能强的吸收强度。

然而，传统材料往往顾此失彼。特别是基于二维碳材料（如石墨烯）的吸波体，虽具备高介电特性，但其固有的高电导率易导致严重的“趋肤效应”，使大量电磁波在材料表面就被反射，无法进入内部被吸收。

近期，一项发表于《Advanced Functional Materials》的研究，通过巧妙的材料设计，取得了突破性进展。研究者制备的铁/氮掺杂碳（Fe/NC）纳米片复合材料，在仅2.1毫米的匹配厚度下，实现了10.1 GHz的超宽有效吸收带宽，其最低反射损耗（RLmin）更是达到了惊人的-119.1 dB。这一性能在已报道的同类材料中名列前茅。

那么，他们是怎样做到的呢？其奥秘在于多尺度孔缺陷与铁单原子（Fe SAs）的协同作用，诱导出了全新的极化行为，从而优化了从波进入、到波耗散的整个过程。

一、材料设计的创新思路

研究团队采用了聚多巴胺限域热解策略，通过调控铁盐前驱体中的阴离子种类，实现了对材料孔隙结构的精确控制。当使用Fe(NO₃)₃作为前驱体时，热解过程中产生的NO₂气体具有强氧化性和腐蚀性，能够在氮掺杂碳纳米片上形成多尺度孔隙结构。

图1. a) Fe/NC纳米片的合成过程示意图。 b) FeNC-SO的扫描电子显微镜图像， c) FeNC-Cl的扫描电子显微镜图像， d) FeNC-OAc的扫描电子显微镜图像， e) FeNC-NO₃的扫描电子显微镜图像。 f) FeNC-NO₃的透射电子显微镜图像和 g) 高分辨率透射电子显微镜图像。 h) FeNC-NO₃层中的球差校正扫描透射电子显微镜图像，以及 i)蓝色和红色圆圈标记的选定区域的相应电子能量损失谱。 j) FeNC-NO₃的元素分布映射。

这种多尺度孔隙结构带来了双重优势：一方面，孔隙中的空气降低了材料的整体介电常数，改善了材料与空气界面处的阻抗匹配；另一方面，孔隙边缘的悬键和缺陷位点为铁单原子的锚定提供了理想场所。

二、微观结构的精准调控

通过高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（AC-STEM）观察，研究者在碳基底上观察到了大量孤立的亮点，经证实为铁单原子。电子能量损失谱（EELS）分析进一步确认了铁单原子的存在。X射线光电子能谱（XPS）分析表明，FeNC-NO₃样品中吡啶氮的比例达到57.8%，远高于其他样品，这种高比例的吡啶氮有利于铁单原子的稳定锚定。

同步辐射X射线吸收精细结构（XAFS）分析揭示了铁物种的配位环境和电子状态。FeNC-NO₃的Fe K边吸收谱位于Fe箔和Fe酞菁之间，表明铁物种的价态介于0到+2之间。傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）谱显示，在1.47 Å处存在明显的Fe-N散射路径，证实了Fe-N₄配位结构的形成。

图2. a) 拉曼光谱、高分辨率 b) N 1s和 c) 所制备Fe/NC样品的Fe 2p XPS光谱。 d) Fe箔、FePc、Fe₂O₃和FeNC-NO₃的归一化FeK边XANES光谱以及 e) 对应的R空间FT-EXAFS曲线。 f) FeNC-NO₃的拟合EXAFS光谱。g–i) Fe箔、FePc和FeNC-NO₃的小波变换等高线图

三、卓越的电磁波吸收性能

电磁性能测试结果显示，FeNC-NO₃复合材料展现出优异的吸波特性。在2.1毫米厚度下，有效吸收带宽达到10.1 GHz，最小反射损耗为-119.1 dB。这一性能显著优于对比样品FeNC-SO₄、FeNC-Cl和FeNC-OAc。

雷达散射截面（RCS）模拟进一步验证了材料的实际应用潜力。在±5°扫描角度范围内，FeNC-NO₃的RCS值均低于-10 dB·m²，表明其在大角度范围内均能有效衰减电磁波。

图3. a) FeNC-SO、 b) FeNC-Cl、 c) FeNC-OAc和 d) FeNC-NO₃的二维反射损耗投影。 e) FeNC-NO₃f) 的三维RL等高线图。所制备的Fe/NC样品的最小RL和EAB值摘要。g) FeNC-NO₃与先前报道的吸收体系统的EMA性能比较。h) 所制备的Fe/NC吸收体的三维RCS模拟结果和i) 二维RCS曲线。

四、多机制协同的吸波原理

材料优异的吸波性能源于多种机制的协同作用：

阻抗匹配优化：多尺度孔隙的引入显著改善了材料的阻抗匹配特性。如图所示，FeNC-NO₃的阻抗匹配区域占比达到13.3%，远高于非孔隙样品。这使得更多电磁波能够进入材料内部而非被反射。

新型极化机制：铁单原子与纳米颗粒之间的电负性差异，在交变电磁场作用下形成了定向电子迁移，产生了一种新型的大偶极子极化。这种极化响应主要发生在8-12 GHz频段。

孔隙增强效应：孔隙边缘的电荷再分布进一步增强了铁单原子与孔隙之间的极化作用，在15.8 GHz附近产生了新的极化弛豫峰。

磁损耗贡献：铁纳米颗粒提供的磁损耗在低频段（2-6 GHz）发挥了重要作用，与介电极化损耗形成有效互补。

图4. a) 复介电常数的实部和 b) 虚部，c) Fe/NC体系的介电损耗角正切曲线。d) 8–12 GHz与15.8 GHz之间的Cole–Cole曲线对比。 e) 所制备的Fe/NC吸收剂的衰减常数。 f) 通过|Zin/Z₀|值计算得到的FeNC-NO₃的二维阻抗匹配图谱。虚线内的红色区域代表|Zin/Z₀|值在0.8–1.2之间的阻抗匹配区域。g) 无孔和多孔二维电磁吸收体系的空间电场模拟。红色表示电场的集中分布。

五、理论计算揭示微观机理

密度泛函理论（DFT）计算为上述机制提供了理论支持。计算结果表明，孔隙的引入增强了铁原子与相邻氮/碳原子之间的电子转移。孔隙碳层的功函数（4.332 eV）高于无孔碳层（4.032 eV），增大了与铁纳米颗粒功函数（3.484 eV）的差异，促进了界面电荷转移。

同时，孔隙结构使得铁单原子偶极矩从3.15德拜增加到6.54德拜，显著增强了极化能力。这种增强的电子不对称分布和偶极子振荡，是材料在8-12 GHz频段表现出优异介电极化损耗的关键原因。

图5. a) 分别为SA、SA + NPs、SA + 孔隙以及SA + NPs + 孔隙体系的不同原子模型的电荷密度差。b) 碳层和多孔碳层的功函数。c) 不同原子结构的偶极矩。d) 多孔FeNC-NO₃吸收剂可能的EMA机制示意图。

六、研究意义与展望

这项工作不仅展示了一种高性能电磁波吸收材料的设计策略，更重要的是揭示了多尺度孔隙与单原子协同调控材料介电性能的新机制。通过精确控制孔隙结构和单原子分布，研究者成功地将材料的有效吸收带宽扩展至10.1 GHz，同时实现了-119.1 dB的强吸收。

这一研究为开发下一代超薄、宽带、强吸收的电磁波吸收材料提供了新的思路。在未来，这种材料设计理念有望应用于电磁兼容、隐身技术、信息防护等多个重要领域，为解决日益严重的电磁污染问题提供有效的技术方案。

该研究的成功也表明，通过多尺度结构设计与原子级精准调控相结合，能够在保持材料轻质特性的同时，大幅提升其功能性能，这为其他功能材料的设计提供了有价值的参考。

参考论文:https://doi.org/10.1002/adfm.202526241

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