大連理工大學(xué)化工學(xué)院陳平教授團隊獨辟蹊徑，通過(guò)巧妙的材料設計與界面工程，成功構建了一種具有多層異質(zhì)結構的空心Co/C微球/Li?Ti?O??(LTO)/TiO?復合材料，突破了傳統吸波材料帶寬與厚度難以兼顧的瓶頸。

研究中使用了國儀量子的SEM5000X超高分辨場(chǎng)發(fā)射電鏡

該突破性研究以題為“In-situ growth of Li?Ti?O?? on MXene and self-assembly with hollow Co/C microspheres to form an ultra-broadband and high-performance microwave absorber"的論文發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上。

傳統吸波材料如鐵氧體、碳材料等，普遍存在填充率高、厚度大、有效吸收帶寬窄等問(wèn)題，嚴重限制了其實(shí)際應用。盡管二維材料MXene因其高導電性而備受關(guān)注，但其單一的介電損耗機制和較差的阻抗匹配導致吸波性能不佳。此外，在MXene中引入磁性組分以構建磁-介電協(xié)同體系時(shí)，如何實(shí)現磁性顆粒的均勻分散，避免團聚，是一個(gè)長(cháng)期存在的技術(shù)難點(diǎn)。金屬有機框架材料衍生物雖能提供均勻分散的磁性金屬顆粒，但傳統的MOF衍生材料在熱解過(guò)程中易發(fā)生結構坍塌，且其阻抗匹配性能仍有待優(yōu)化。

針對上述挑戰，本研究提出了以下三大創(chuàng )新性解決方案：

1. 創(chuàng )新性地引入鋰鈦氧體作為新型極化中心

傳統MXene復合材料損耗機制單一，主要依賴(lài)MXene本身的導電損耗，極化損耗不足。本研究首次將鋰離子電池負極材料Li?Ti?O??(LTO)引入MXene基吸波材料體系。通過(guò)熱解過(guò)程中LiF與MXene的固相反應，在MXene層間原位生長(cháng)LTO。LTO作為一種典型的絕緣體，與高導電的MXene碳層形成巨大的電導率差異，從而在二者界面處誘導產(chǎn)生強烈的Maxwell-Wagner-Sillars界面極化，極大地豐富了材料的極化損耗機制。

2. 構建“千層蛋糕"型多層異質(zhì)結構與空心工程協(xié)同優(yōu)化

材料阻抗不匹配導致電磁波大量反射，而且MOF熱解易坍塌，這些都是制約吸波材料發(fā)展的因素。通過(guò)模板法合成空心ZIF-67@PDA前驅體，熱解后得到空心結構的Co/C微球。該結構設計不僅降低了材料密度，其內部空腔還能引發(fā)電磁波的多次反射與散射，延長(cháng)傳播路徑，增強能量耗散。通過(guò)靜電自組裝將空心Co/C微球與MXene/LiF復合，經(jīng)熱解后最終形成“空心Co/C微球-LTO插層MXene-TiO?納米顆粒"(HCLT)的千層蛋糕結構（圖1a-d）。具體地，XRD與Raman的不同衍射峰位置也證明了HCLT樣品的成功合成。比較具有特點(diǎn)的是比表面積分析數據，如圖1(g-h)所示，HCLT樣品表現出典型的Ⅳ型等溫線(xiàn)，具有明顯的H4型滯后環(huán)(P/P₀=0.4-1.0)，表明微孔和介孔共存。HCLT-3繼承了MXene基體的高表面積與MOF材料的多孔結構。介孔疇有利于形成廣泛的固-真空界面區，促進(jìn)界面電荷積累，增強界面極化。復雜的孔隙分布，可以通過(guò)散射實(shí)現多尺度電磁波衰減。

該結構創(chuàng )造了包括Co/C、MXene/HCC、TiO?/LTO在內的多重異質(zhì)界面，為界面極化提供了豐富場(chǎng)所。將空心工程與多層異質(zhì)界面工程相結合，同步優(yōu)化了阻抗匹配與衰減能力。

圖1  樣品形貌與表征圖

3. 發(fā)展簡(jiǎn)化的“一鍋法"原位合成策略

復雜的多步合成工藝不利于材料的可控制備與大規模應用。我們摒棄了傳統繁瑣的LTO前驅體預處理步驟，直接利用兩步蝕刻制備的MXene/LiF作為鋰源和鈦源，利用ZIF-67@PDA熱解提供的氧環(huán)境，在熱解過(guò)程中一步原位生成LTO（圖2）。該策略簡(jiǎn)化了工藝流程，降低了成本，同時(shí)確保了LTO在MXene層間的均勻生長(cháng)和牢固結合，為新型異質(zhì)結吸波材料的制備提供了新穎、高效的合成范式。

圖2  樣品制備過(guò)程

圖3  樣品微波吸收性能

機制分析：通過(guò)電磁參數分析、Cole-Cole圖和損耗角正切計算，證實(shí)了導電損耗、界面極化、偶極極化和磁損耗等多種機制的協(xié)同作用，其中LTO引入帶來(lái)的界面極化貢獻顯著(zhù)。具體而言，MP-TiO?@TCM(MXene熱解物)在高頻區表現出較小的極化峰，這是由于多相TiO?的固有缺陷和界面極化所致。HCC集成通過(guò)改善碳網(wǎng)絡(luò )而顯著(zhù)改變了MXene基體的介電損耗行為，這可以通過(guò)峰值強度和位置位移來(lái)證明(圖4a-b)。樣品具有高的極化損耗占比(圖c-f)，對應LTO的極化機制，Cole-Cole曲線(xiàn)的大圓弧半徑同樣證實(shí)了這一觀(guān)點(diǎn)(圖4g-h)。

圖4  樣品介電損耗性能表征

通過(guò)對復磁導率的綜合分析，系統地研究了磁損耗機理(圖5a-d)。磁性損耗主要由HCLT中的Co納米顆粒提供，主要包括低頻的自然共振，中高頻的交換共振和高頻段渦流損耗，磁損耗與介電損耗效應相協(xié)同，共同優(yōu)化阻抗匹配并提供額外的衰減通道，如圖5(e-h)中在delta函數方法計算下HCLT-3表現出的良好的阻抗匹配與圖(j)中較高的微波衰減常數。圖5k鮮明闡述了這一點(diǎn)。另外，存在的1/4波長(cháng)的干涉相消效應也起到輔助衰減電磁波的作用(圖5l)。

圖5  樣品磁損耗性能表征(a-d)；Delta函數法計算的阻抗匹配性能(e-i)；樣品的衰減常數(j)；阻抗匹配、衰減常數與RL對應值(k)；1/4波長(cháng)干涉厚度匹配圖(l)

HCLT復合材料的卓越性能，根源在于其精心設計的結構觸發(fā)了多種電磁波能量損耗機制的協(xié)同作用。首先，通過(guò)優(yōu)化阻抗匹配，引導電磁波最大限度進(jìn)入材料內部；其次，通過(guò)多種損耗機制將電磁能轉化為熱能或其他形式的能量。其核心吸波機制如下圖6所示：

圖6  樣品吸波機制

在CST studio 2024軟件中模擬的RCS雷達散射截面值可以說(shuō)明HCLT材料良好的應用潛力，與PEC板材相對比的損耗優(yōu)勢如圖7所示。

圖7  雷達散射截面值

本工作成功地解決了MXene基吸波材料損耗機制單一、阻抗匹配不佳以及磁性組分分散不均等關(guān)鍵問(wèn)題。其核心貢獻在于：

材料創(chuàng )新：開(kāi)創(chuàng )性地將LTO作為高效的極化中心引入吸波領(lǐng)域，拓展了MXene復合材料的組分選擇。

結構創(chuàng )新：通過(guò)空心工程與多層異質(zhì)界面構建，實(shí)現了阻抗匹配與衰減能力的完美平衡。

方法創(chuàng )新：開(kāi)發(fā)了簡(jiǎn)單、高效的原位合成策略，具有良好的推廣價(jià)值。

該研究不僅為設計“寬、強、薄、輕"的新一代微波吸收材料提供了全新的設計思路與理論依據，也為MXene和MOF材料在其他能源與功能器件領(lǐng)域的應用開(kāi)辟了新的可能性。