沈化大陈娜、北理工潘也唐等AFM：温度巧调控！预煅烧解锁 MOF 衍生磁碳纳米杂化体，实现超宽带高效微波吸收。

陈娜

一、【导读】  

无线通信、雷达探测、可穿戴电子设备飞速发展的今天，电磁污染、电磁干扰、雷达隐身成为亟待攻克的现实难题。传统电磁屏蔽依靠反射电磁波，极易造成二次电磁污染；而高性能微波吸收材料，能够把入射电磁波转化为热能耗散掉，是更加理想的解决方案。但吸波材料长期面临一个核心矛盾：强衰减能力与优异阻抗匹配很难兼得。磁性碳复合体系，结合碳的介电损耗与磁性组分的磁损耗，被寄予厚望，但如何精准控制磁性功能单元在碳基体中的空间分布，一直是巨大挑战。 近日，沈阳化工大学王康军、伞晓广联合北京理工大学潘也唐团队，在顶刊《Advanced Functional Materials》发表研究，创新性利用预煅烧策略，基于同一种 ZIF8@PBA 前驱体，仅改变预煅烧温度，就得到两种结构截然不同的Fe₃C基氮掺杂碳纳米杂化材料，实现优异的微波吸收性能，为高性能吸波材料开辟全新设计思路。

二、【成果掠影】

一招改温度，两种完全不同的纳米结构

研究团队采用两步煅烧工艺：空气预煅烧+氮气高温热解。同一个ZIF8@PBA 前驱体，仅仅调整预煅烧温度，就能完全改写最终材料微观空间架构：

✅ 200 ℃预煅烧 → Fe₃C−N−C 200 ℃低温预煅烧仅脱去吸附水，完整保留 ZIF8@PBA的MOF框架结构。铁物种被框架牢牢限制住，热解后Fe3C纳米晶在氮碳基体内部均匀弥散分布，多面体前驱体形貌完整保留，没有碳纳米管生成。

✅ 400 ℃预煅烧 → Fe₃C−N−CNTs 400 ℃高温预煅烧会破坏MOF配位键，框架发生分解，铁元素向外迁移富集，生成 Fe₃O₄及ZnO 中间相；后续热解过程中，表面富集的氧化物转化为Fe₃C，同时催化生长大量碳纳米管，得到碳纳米管缠绕的杂化结构，Fe₃C 颗粒集中在碳表面以及碳管顶端，呈局部富集状态。

 三、【核心创新点】

预煅烧工艺决定了 ZIF8@PBA 衍生复合材料中碳化铁（Fe₃C）的空间分布：200℃限域煅烧可实现碳化铁均匀分散，兼具介电磁协同效应（最小反射损耗 RLmin = −73.60 dB，有效吸收带宽 EAB = 9.29 GHz）；而 400℃下碳化铁发生释放析出，产物表面富集碳化铁并伴随碳纳米管（CNT）生长，材料以介电损耗为主（最小反射损耗 RLmin = −65.71 dB，有效吸收带宽 EAB = 7.79 GHz）。该结构调控策略为通过精准空间排布设计功能材料提供了新思路。

 四、【数据概览】

图1 预煅烧调控的空间架构演化与性能定位。(a) ZIF-8@PBA前驱体的合成路径与两步煅烧工艺；(b) 25 ℃、200 ℃与400 ℃三种预煅烧条件下的微观形貌；(c) 本工作与已报道吸波材料在反射损耗与有效吸收带宽方面的性能对比。

图2 Fe₃C−N−C−800与Fe₃C−N−CNTs−800的微观结构演变。(a) XRD图谱，(b)拉曼光谱，(c) Fe 2p 谱图，(d) N 1s 谱图。(e) Fe₃C−N−C 与 (i) Fe₃C−N−CNTs 结构示意图；(f−h) Fe₃C−N−C−800 以及 (j−q) Fe₃C−N−CNTs−800 的透射电镜图、高分辨透射电镜图、高角环形暗场扫描透射电镜图及元素面分布图。

图3 两种架构的吸波性能对比。(a)不同预煅烧温度下的 EAB 与 RLmin；(b, c) 代表性厚度下的反射损耗曲线；(d, e) 随热解温度变化的RLmin与匹配厚度；(f) EAB 演变；(g) 衰减常数对比；(h, i)归一化输入阻抗 |Z_in/Z₀| 三维图。

图 4 电磁损耗机理分析。Fe₃C−N−C 与 Fe₃C−N−CNTs 的对比：(a) 介电常数实部 ε′，(b) 介电常数虚部 ε″，(c) 介电损耗正切值；(d) 磁导率实部 µ′，(e) 磁导率虚部 µ″，(f) 磁损耗正切值。(g) 饱和磁化强度对比。(h) Fe₃C−N−C−800 与 (i) Fe₃C−N−CNTs−800 的氮气吸附-脱附等温线及 BJH 孔径分布曲线。(j) EPR 谱图；最优样品(k) Fe₃C−N−C−800和(l) Fe₃C−N−CNTs−800的Cole−Cole半圆图。

图 5 密度泛函理论计算与有限元仿真。(a−c) 态密度；(d) 差分电荷密度；(e−g) 功函数；(h) 内建电场示意图。仿真得到的 (i) 表面电流密度、(j) 电场、(k) 磁场、(l) 体积损耗密度。

图 6远场雷达隐身性能与机理示意。(a)平板涂覆模型；(b, e) 三维散射方向图；(c, f) RCS 随入射角的变化；(d, g) 与 PEC 基准的对比；(h)损耗机制。

五、【成果启示】

从“调组分”到“编程空间排布”

长期以来，MOF衍生吸波材料的改性思路主要集中于组分替换与形貌设计；而本工作将关注点前移至更上游的环节—中间物相的演化。其启示明确：在磁性碳复合体系中，磁性颗粒的纳米尺度空间分布是解锁“衰减能力与阻抗匹配”平衡的核心变量。具体而言，无需改动前驱体的化学配方，仅引入一段可控的空气预煅烧，即可通过限域或释放铁物种来“编程”最终的空间架构：或将磁性单元“关”于骨架内部以实现均匀弥散，或使其“走出”并富集于表面以催化碳管生长。两种架构各具优势——前者强于吸收强度与带宽，后者在更薄厚度下仍具可观表现。这种可编程性不仅适用于微波吸收，对磁碳催化、电磁器件等依赖金属—碳界面与颗粒排布的体系同样具有借鉴价值。

原文详情：N. Chen, B.-B. Han, X. Song, et al. “Pre-Calcination-Governed Spatial Architecture Engineering of MOF-Derived Magnetic Carbon Nanohybrids for Effective Microwave Absorption.” Advanced Functional Materials (2026): e78929. https://doi.org/10.1002/adfm.78929

本文由陈娜供稿