大連理工大學化工學院陳平教授團隊獨辟蹊徑，通過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超高分辨場發射電鏡

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題，嚴重限制了其實際應用。盡管二維材料MXene因其高導電性而備受關注，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-介電協同體系時，如何實現磁性顆粒的均勻分散，避免團聚，是一個長期存在的技術難點。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衍生材料在熱解過程中易發生結構坍塌，且其阻抗匹配性能仍有待優化。

針對上述挑戰，本研究提出了以下三大創新性解決方案：

1. 創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。通過熱解過程中LiF與MXene的固相反應，在MXene層間原位生長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"型多層異質結構與空心工程協同優化

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展的因素。通過模板法合成空心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電磁波的多次反射與散射，延長傳播路徑，增強能量耗散。通過靜電自組裝將空心Co/C微球與MXene/LiF復合，經熱解后最終形成“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，具有明顯的H4型滯后環(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，促進界面電荷積累，增強界面極化。復雜的孔隙分布，可以通過散射實現多尺度電磁波衰減。

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

圖1  樣品形貌與表征圖

3. 發展簡化的“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熱解提供的氧環境，在熱解過程中一步原位生成LTO（圖2）。該策略簡化了工藝流程，降低了成本，同時確保了LTO在MXene層間的均勻生長和牢固結合，為新型異質結吸波材料的制備提供了新穎、高效的合成范式。

圖2  樣品制備過程

圖3  樣品微波吸收性能

機制分析：通過電磁參數分析、Cole-Cole圖和損耗角正切計算，證實了導電損耗、界面極化、偶極極化和磁損耗等多種機制的協同作用，其中LTO引入帶來的界面極化貢獻顯著。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集成通過改善碳網絡而顯著改變了MXene基體的介電損耗行為，這可以通過峰值強度和位置位移來證明(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曲線的大圓弧半徑同樣證實了這一觀點(圖4g-h)。

圖4  樣品介電損耗性能表征

通過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同，共同優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。另外，存在的1/4波長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了多種電磁波能量損耗機制的協同作用。首先，通過優化阻抗匹配，引導電磁波最大限度進入材料內部；其次，通過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明HCLT材料良好的應用潛力，與PEC板材相對比的損耗優勢如圖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鍵問題。其核心貢獻在于：

材料創新：開創性地將LTO作為高效的極化中心引入吸波領域，拓展了MXene復合材料的組分選擇。

結構創新：通過空心工程與多層異質界面構建，實現了阻抗匹配與衰減能力的完美平衡。

方法創新：開發了簡單、高效的原位合成策略，具有良好的推廣價值。

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域的應用開辟了新的可能性。