中国工程院院士，前昆明理工校长彭金辉，再发Nature子刊！多异质界面和阳离子缺陷的CuCo2S4@膨胀石墨异质结构应用前景！

研究背景

先进电子设备和无线通信技术的飞速发展，给人们的生活带来了极大的便利，但同时也产生了不可忽视的电磁辐射污染。这种污染会严重干扰周围电子元件的正常工作，降低信息安全和通信质量，危害人体健康。开发先进的电磁波(EMW)吸波材料是解决这一问题的最有效途径之一，这些材料通常具有重量轻、吸波强、厚度薄、带宽宽等特点。膨胀石墨(EG)、石墨烯(GR)和碳纳米管(CNTs)等碳材料具有密度低、官能团丰富、电学性质可调等优点，具有良好的吸收前景。如何平衡具有高EMW吸收性能的碳材料的阻抗匹配特性是该领域研究的重点。当前，设计构建非均相界面或缺陷是制备高性能碳基吸波材料的主要途径。非均质界面的设计使材料具有合适的复介电常数，有利于改善阻抗匹配。非均相界面的构建导致附近电子和晶体结构的不对称，这些缺陷导致晶格畸变、电荷不匹配和能带迁移，也有利于EMW的衰减。所有这些措施都有望提高材料的吸收性能。

成果简介

碳基电磁波吸收材料是一种新型的吸波材料，它的结构、结构、界面和缺陷工程等特点为先进碳基电磁波吸波器的设计注入了无限的活力。然而，从微观和宏观的角度来理解界面和偶极子效应，而不是半经验规律，可以促进异质界面和缺陷的设计，以调节材料的阻抗匹配和电磁波吸收，这是目前所缺乏的。

近日，昆明理工大学彭金辉院士、许磊教授课题组报道了具有多异质界面和阳离子缺陷的CuCo₂S₄@膨胀石墨异质结构，组分的形貌、界面和缺陷可通过改变金属离子浓度来调节。结果表明，三维花蜂窝形态、晶晶/非晶异质界面和丰富的阳离子缺陷可以有效调节碳材料的导电和极化损耗，实现碳材料的阻抗匹配平衡，提高对电磁波的吸收。CEG-6样品在1.4 mm处实现了对Ku波段的有效吸收，RL_min为-72.28 dB，有效吸收带宽为4.14 GHz，而填充量仅为7.0 wt. %。

本文报道了晶体-晶体/非晶异质界面、阳离子缺陷和碳材料阻抗匹配之间电位关系的建立。这项工作以“Synthesis of CuCo₂S₄@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption”为题发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。祝贺！

彭金辉，中国工程院院士，昆明理工大学教授、博士生导师，中国有色金属学会特种冶金专业委员会主任、微波能工程应用及装备技术国家地方联合工程实验室主任。曾任云南民族大学校长、党委副书记，昆明理工大学校长、党委副书记。

中国工程院院士，前昆明理工校长彭金辉，再发Nature子刊！多异质界面和阳离子缺陷的CuCo2S4@膨胀石墨异质结构应用前景！

图文导读

图1. CuCo₂S₄@EG异质结构的制备及微观结构示意图

图2. CuCo₂S₄@EG异质结构的形态和组成表征

在此，作者提出了一种通过晶体/非晶异质界面和阳离子缺陷调节碳基吸收材料阻抗匹配的策略。采用微波溶剂热法在三维碳基体(EG)上原位生长CuCo₂S₄，成功制备了三维花蜂窝CuCo₂S₄@EG异质结构，并通过铜和钴原子的比例调节了CuCo₂S₄的花形状。这种独特的三维非均质结构可提供丰富的异质界面和缺陷，可有效调节碳基材料的阻抗匹配，实现EMW的多重衰减。本研究阐明了CuCo₂S₄@EG EMW吸波材料的内部组成、结构和功能之间的关系，为开发和设计高性能三维碳基吸波材料提供了一种简单有效的策略。

CuCo₂S₄@EG复合材料的制备过程示意图如图1所示。在研究中，利用EG构建了三维蜂窝状碳基导电网络主干网。作者测量了微波处理前后EG的结构和物理特性。与一般的Hummer方法相比，微波制备的EG具有更好的导电性和优异的导热性。同时，EG独特的蜂窝结构有助于形成完善的导电网络，实现EMW的多次反射。此外，采用微波溶剂热法在三维蜂窝EG上快速原位生长CuCo₂S₄纳米花阵列，形成花蜂窝CuCo₂S₄@EG异质结构。预计这种独特的花蜂窝异质结构有利于增强EMW的多次反射和界面极化损耗。

图3. CuCo₂S₄@EG的电磁参数

图4. CuCo₂S₄@EG的电磁波吸收性能

图5. 吸波机理分析

基于传输线理论对CuCo₂S₄@EG样品的电磁吸收性能进行了评价。最优吸收器应能够衰减入射EMW的90%以上，其反射损耗(RL)值小于-10 dB，其对应的频率范围作为有效吸收带宽(EAB)。CEG-6样品在超低填充量(7.0 wt.%)下表现出最强的EMW吸收能力。CGE-6在Ku波段的RL_min和EAB值分别达到-72.28 dB和4.14 GHz，而厚度仅为1.4 mm。而CEG-4样品厚度为1.4 mm时，复合材料在Ku波段的RL_min和EAB值分别为-19.29 dB和3.12 GHz。此外，EG具有超低的EMW吸收特性，其最小反射损耗(RL _min)仅为-7.07 dB。

作者研究发现复合材料的阻抗匹配和EMW吸收能力可以通过改变形貌和构建晶体-晶体/非晶异质界面和阳离子空位来调节。如图5d所示，三维花蜂窝形态可以有效提高EWM的散射面积，降低吸收器密度。同时，这种3D形态也可以作为一个相互连接的导电网络，为电子迁移提供途径，并诱导导电损耗的产生。此外，EG与CuCo₂S₄之间的异质界面导致界面电荷分布不均匀，从而促进了界面极化。在EG和CuCo₂S₄组分中存在的空位和晶格缺陷会导致偶极子的产生，并促进偶极子极化。因此，引入CuCo₂S₄构建异质界面和调节金属阳离子缺陷是实现阻抗匹配的有效方法。

总结展望

综上所述，通过微波加热制备了一种独特的三维花蜂窝CuCo₂S₄@EG复合材料，该复合材料具有丰富的晶-晶/晶-非晶界面和阳离子缺陷。通过调节金属离子浓度，可以控制CuCo₂S₄的组分形态、界面和缺陷。这种独特的三维异质结构和丰富的阳离子缺陷有利于促进界面极化和偶极极化，实现传导损耗和极化损耗平衡，有效调节碳基材料的阻抗匹配。因此，通过实现EMW的多重衰减和损耗，获得了较高的EMW吸收性能。特别是，CEG-6的EMW吸收性能令人满意，在填充率仅为7.0 wt. %，厚度为1.4 mm时，复合材料的RL_min为-72.28 dB, EAB为4.14 GHz。

该研究对通过晶-晶/晶-非晶异质界面和阳离子缺陷调节碳基吸收材料的阻抗匹配具有重要意义。这项工作不仅为开发和设计高性能三维碳基吸波材料提供了一种简单有效的策略，而且为平衡其他EMW吸波材料的阻抗匹配提供了新的视角。

文献信息

Synthesis of CuCo₂S₄@Expanded Graphite with crystal/amorphous heterointerface and defects for electromagnetic wave absorption. (Nat. Commun. 2023, DOI: 10.1038/s41467-023-41697-6)

https://doi.org/10.1038/s41467-023-41697-6

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