天津大学《AFM》：N-石墨烯/CoSe2复合材料，用于复杂恶劣环境的EMW吸收

成果简介

为应对日益复杂的电磁（EM）污染环境，迫切需要探索超薄、轻质、耐恶劣环境的应用型电磁波（EMW）吸收材料。虽然基于石墨烯气凝胶的轻质电磁波吸收材料已经开发出来，但更薄的厚度和更有效的极化损耗策略仍然必不可少。本文，天津大学何芳教授团队在《Adv Funct Mater》期刊发表名为“Defect Engineering Activates Schottky Heterointerfaces of Graphene/CoSe2 Composites with Ultrathin and Lightweight Design Strategies to Boost Electromagnetic Wave Absorption”的论文，研究基于电磁波传输理论，本研究创新性地提出了获得超薄电磁波吸收材料的高衰减设计策略，并将硒化钴（CoSe2）确定为超薄吸收材料的重要组成部分。为了获得满足超薄吸收特性的介电参数范围并改善电磁波吸收材料的轻质特性，设计了一种CoSe2改性N掺杂还原氧化石墨烯（N-RGO/CoSe2）的复合材料。

同时，在 RGO 中可控地引入缺陷工程，可激活复合材料的肖特基异质界面，产生强烈的界面极化效应，在实现超薄特性的同时显著提高电磁损耗能力。此外，红外热成像和防结冰实验表明，该复合材料具有良好的耐腐蚀性、红外隐身性和隔热性能。因此，这项工作为获得厚度薄、重量轻、性能高的EMW吸收材料提供了一种有效的策略，体现了N-RGO/CoSe2复合材料在实际应用中的优势。

图文导读

图1、a） 介绍了常用介质损耗半导体材料的衰减系数；通过EM理论计算得到的理想介电常数值：b）8.0和c）16.0GHz；d） 理想介电常数值的上限和下限，以及e）1.5mm厚度下的对应RL；f） 介电常数的实部和g）RGO/CoSe2复合材料在8-16GHz范围内的介电常数虚部；h、 i）CoSe2、RGO和RGO/CoSe2复合材料的介电常数；j） RGO/CoSe2-6在1.5 mm处的RL。

图2、a) N-RGO/CoSe2 复合材料的内部组成和电磁响应机制示意图；b-d) N-RGO/CoSe2-6-50 的宏观图像；e,f) N-RGO/CoSe2-6-50 的扫描电镜图像；g) N-RGO/CoSe2-6-50 的 TEM 图像；h) C、N、Co 和 Se 的元素图谱；i) N-RGO/CoSe2-6-50 的高分辨率 TEM 图像，插图为相应的 SAED 图样。

图3、a) N-RGO/CoSe2-6 复合材料的 XRD 图；N-RGO/CoSe2-6 复合材料的 XPS 光谱：b) 勘测光谱，c) Co 2p，d) Se 3d，e) C 1s，f) N 1s；g) N-RGO 的石墨 N 百分比；h) N-RGO/CoSe2-6-50，i) N-RGO/CoSe2-6-40 的 N2 吸附-解吸等温线和孔径分布。

图4、a) 复介电常数的实部和虚部；c) 介电损耗正切；d) 磁导率的实部和虚部；f) 磁损耗正切；g-j) 科尔-科尔曲线；k) N-RGO/CoSe2-6 与其他已报道的碳基吸收体的综合特性比较。

图5、表面功函数的第一原理计算：a) N-RGO 模型和 b) 计算表面功函数时使用的 CoSe2 晶面；c,d) 通过计算样品界面之间的典型晶面得到的表面功函数；e) 异质界面的电子聚集图；f) 光吸收显示光子能量 hν 与 (αhν)2 之间的线性关系，其中 α 表示吸收系数，表明存在直接光学转变；g, h) RGO@CoSe2 接触前后的肖特基型接触示意图；大面积 N-RGO 的拉曼图：i)N-RGO/CoSe2-6-20，j)N-RGO/CoSe2-6-30，k)N-RGO/CoSe2-6-40，l)N-RGO/CoSe2-6-50，m)RGO/CoSe2-6（颜色渐变代表 ID/IG 值，即在同一位置采集的拉曼光谱中 D 波段与 G 波段的强度比）；n) N-RGO 中缺陷之间的平均距离（Ld）；o) N-RGO-6-50、p) CoSe2、q) 金属金校准、r) N-RGO-6-20、s) N-RGO-6-30 和 t) N-RGO-6-40 的 KPFM 测量数据。

图6、N-RGO/CoSe2-6 复合材料的电磁波消散机制示意图。

图7、a,b) N-RGO/CoSe2-6-50 和不锈钢块在 -60 °C 时的抗结霜性能对比图像；c) 温度变化曲线；d-f) N-RGO/CoSe2-6-50在 1、60 和 120 分钟时的红外热图像；g) 不同高度对应的温度曲线。

小结

综上所述，本研究首次提出了超薄电磁波吸收材料的高效设计方法。通过电磁场仿真和电磁波传输理论分析，确定了超薄电磁波吸收材料的重要成分和理想介电参数范围。N-RGO的应用不仅协同优化了衰减能力与阻抗匹配之间的关系，还改善了电磁波吸收材料的轻质特性。同时，在 RGO 中可控地引入 N 元素掺杂，可精确调节N-RGO/CoSe2复合材料的偶极极化和界面极化，显著提高电磁损耗能力。N-RGO/CoSe2复合材料的多孔结构和表面的CoSe2颗粒增加了电磁波的多次反射和散射，提高了电磁波的吸收能力。当厚度仅为 1.2 mm 时，最小 RL 为 -51.9 dB，EAB 达到4.8GHz。此外，红外热图像和防结冰实验表明，这些复合材料具有良好的耐腐蚀性、隔热性和红外隐身性能。因此，这项研究获得了厚度薄、重量轻、性能高和宽带吸收的复合材料，也为设计应用于复杂恶劣环境的电磁波吸收材料提供了一种策略。

文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202305463