在5G浪潮席卷全球的背景下，电子通信设备的小型化、集成化取得了长足进步，但无处不在的电磁波（EMW）在传输信息时造成的污染问题已不容忽视。开发高性能吸波材料是解决这一问题的有效途径。

近日，郑州大学申长雨院士、刘春太教授团队的刘宪虎教授课题组在国际期刊《Small》上，发表了最新研究成果“MoS₂ Decorated on 1D MoS₂@Co/NC@CF Hierarchical Fibrous Membranes for Enhanced Microwave Absorption”。研究者通过静电纺丝、高温碳化和水热法成功制备了具有网络结构的分层MoS₂@Co/NC@CF复合纤维膜。得益于多组分的磁/碳复合设计，材料内部存在大量异质界面、结构缺陷；同时，构筑了三维（3D）导电网络，由此诱导产生的多种损耗机制协同作用，显著改善了阻抗匹配，增强了EMW吸收性能：最小反射损耗（RLmin）为-67.56 dB，最大有效吸收带宽（EABmax）达到了6.56 GHz （2.1 mm，11.44-18 GHz）。这项工作为开发高效EMW吸收材料提供了可行的方法。

图1：MoS₂@Co/NC@CF纤维膜的制备与形貌表征。

通过静电纺丝、高温碳化以及水热工艺制备了MoS₂@Co/NC@CF纤维膜。SEM图像显示，预先混有Co²⁺的PAN/Co²⁺纤维表面光滑，直径约为1.5 μm（图1c）。在含有2-甲基咪唑（2-MI）的甲醇溶液中原位生长后，纤维上的Co²⁺与周围的2-MI分子发生反应，得益于这种种子辅助生长法，不仅有效避免了ZIF-67纳米颗粒的团聚，同时实现了在纤维表面大量且均匀的负载（图1d）。后经高温碳化处理，ZIF-67纳米颗粒虽发生一定程度地坍缩，但其多面体形貌仍得以较好地保持（图1e）。最后，通过水热法成功在纤维表面合成了花状MoS₂纳米片，这种复杂的三维网状结构可以实现EMW在材料内部的多重散射/反射，延长传输路径，进而增强材料的衰减能力。

图2：MoS₂@Co/NC@CF样品的结构表征。

借由FTIR、XRD、Raman、XPS多种手段对材料进行了表征，结果表明成功合成了预期样品。ZIF-67@PAN样品在经高温碳化后，Co²⁺被成功还原为金属Co；同时，在Co/NC@CF样品中出现了与有机质碳化形成的石墨化碳（002）晶面所对应的衍射峰（图2b）。通过Raman图谱中ID与IG的比值对材料的碳化程度进行了表征，CF、Co/NC@CF、MoS₂@Co/NC@CF的ID/IG值分别为1.46、1.27和1.60。ID/IG值的降低表明样品的石墨化程度有所提高，这可能是由于金属颗粒在高温下促进了石墨化碳的形成。石墨化程度的提高，可以增强导电损耗，但过高的电导率可能会导致阻抗失配。负载MoS₂壳层后，ID/IG的值明显提高，说明样品中的缺陷程度加深，这些缺陷可以作为极化中心诱导产生偶极极化（图2c）。最后，VSM表明，由于非磁性MoS₂的引入，MoS₂@Co/NC@CF的磁饱和强度（Ms）有所降低。

图3：2~18 GHz范围内（a, d）CF、（b, e）Co/NC@CF和（c, f）MoS2@Co/NC@CF于不同厚度下的3D/2D RL映射图。

图3为CF、Co/NC@CF以及MoS₂@Co/NC@CF样品在2~18 GHz范围内RL值的3D/2D图像。如图3a、d所示，CF样品的吸波性能较差，当匹配厚度为2.85 mm时，RL_min值仅为−14.30 dB，EABmax为3.76 GHz (2.75 mm，11.6-15.36 GHz)。对于Co/NC@CF样品（图3b，e)，其吸收性能有了显著提高，匹配厚度为1.95 mm时，RLmin值达到−50.62 dB，相应的EABmax也扩展到5.92 GHz (2.3mm，11.2–17.12 GHz)。从图3c、f可以看出，在负载MoS₂后，MoS₂@Co/NC@CF样品的RLmin值进一步降低，达到了-67.56 dB；值得注意的是，EABmax也进一步提高，达到了6.56 GHz (2.1 mm，11.44-18 GHz)。上述结果表明，MoS₂的加入有利于提高材料的吸波性能。

图4：(a-d) RCS仿真结果。(e) 不同入射角下各样品的RCS值。(f) 各样品在特定角度下RCS的衰减值。

利用HFSS软件对理想完美导体（PEC）、CF、Co/NC@CF和MoS₂@Co/NC@CF的RCS特性进行模拟。结果表明，在覆盖吸收层后，样品的RCS信号明显减弱（图4a-d）。图4e为各样品在不同入射角（−90°<????<90°）下的RCS曲线。显然，MoS₂@Co@NC@CF样本的RCS值在测试范围内都小于-10 dBm²。我们进一步计算了各样品相对于PEC板的RCS信号衰减，如图4f所示。当EMW垂直入射时，MoS₂@Co/NC@CF样品的信号衰减值达到26.4 dBm²。

图5：MoS₂@Co/NC@CF的EMW吸收机理示意图。

MoS₂@Co/NC@CF样品的EMW吸收机理如图5所示。首先，得益于磁/碳多组分的协同效应，材料具有良好的阻抗匹配特性，可以确保EMW尽可能多地进入材料内部。其次，连续的碳纤维和MoS₂壳层形成的3D导电网络，促进了EMW在材料内部的多重散射/反射，从而延长了传播路径。此外，由于电子在导电网络内的迁移和跃迁，EMW能量将转化为热能并耗散，导致传导损失。再次，在制备过程中材料内部形成了大量的异质界面与缺陷，以及掺杂的N原子也增强了极化损耗。最后，磁性粒子也造成了一定的磁损耗。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/smll.202407337

通讯作者简介：

刘宪虎：德国埃尔朗根-纽伦堡大学博士，郑州大学教授、橡塑模具国家工程研究中心/工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室固定人员、全球高被引学者，英国皇家化学会会士，河南省杰出青年科学基金获得者，河南省优秀硕士论文指导教师（2022&2023）。在国际期刊Science、Nature Commucations、Advanced Functional Materials、Macromolecules、Journal of Rheology、Composites Science and Technology、Environmental Science & Technology等发表第一/通讯作者（含共同通讯）论文100余篇，其中多篇先后入选ESI高被引或热点论文，总引用1.2万余次，H-index 60。担任Advanced Nanocomposites等期刊编委，Journal of Physics D: Applied Physics等客座编辑，Science、Advanced Materials等国际期刊审稿人，European Science Foundation等项目评审专家，德中工业研究会名誉主席（埃尔朗根-纽伦堡大学）等。获冯新德高分子奖（提名奖）、海岸鸿蒙优秀报告奖、Carl Klason Prize等。主要从事高分子材料功能化加工等方面的研究。 

程浩然：郑州大学与新加坡国立大学联合培养博士，郑州大学直聘副研究员，主要致力于电磁功能材料、聚合物微孔发泡成型加工及其功能化和工业化研究，相关成果以第一/通讯作者在Nano Today, Nano-Micro Letters, Small, Chemical Engineering Journal, Composite Part A等期刊发表SCI论文十余篇。曾获河南省优秀毕业生、博士国家奖学金、Nano-Micro Letters ESI Top Article Award等奖项。