近日，安徽大学张惠教授、黄方志教授、李士阔教授团队在《ACS Nano》上发表了题为“Joule-Heating-Driven Synthesis of a Honeycomb-Like Porous Carbon Nanofiber/High Entropy Alloy Composite as an Ultralightweight Electromagnetic Wave Absorber”的论文，利用静电纺丝和焦耳加热方法成功地将五元FeCoNiCuMn高熵合金（HEA）集成到蜂窝状多孔碳纳米纤维（HCNF）中，开发出了一种高效、轻量化的电磁波吸收材料。

【总结】

（1）高熵合金（HEA）与碳纳米纤维（CNF）的结合：该研究将五元FeCoNiCuMn高熵合金成功整合到蜂窝状多孔碳纳米纤维中，利用了电纺和焦耳加热方法。这种结合不仅有效克服了传统高温处理中的相分离问题，还增强了材料的稳定性和吸收性能。

（2）焦耳加热法的应用：焦耳加热法通过在导体两端施加高电流，生成巨大的焦耳热，在短时间内（约秒级）有效控制HEA的组成和微观结构。这种方法显著提升了合金纳米颗粒的分布均匀性和内部电子结构，有助于提高电磁波（EMW）吸收性能。

（3）优异的电磁波吸收性能：研究显示，HCNF/HEA复合材料在超低填充量（2 wt%）下表现出卓越的EMW吸收性能，反射损失最低可达-65.8 dB，最大吸收带宽可达7.68 GHz。这种低填充量创下了碳纳米纤维和高熵合金吸收材料的新纪录。

（4）独特的蜂窝状多孔结构：这种结构不仅优化了阻抗匹配，允许多次反射和散射EMW，还增加了EMW的传播路径，从而提高了吸收效率。此外，多孔结构和高熵合金的协同作用显著增强了材料的极化和传导损失能力。

（5）多功能吸收机制：文中提出的吸收机制包括强极化损失、三维导电网络、蜂窝状多孔结构以及磁损耗和介电损耗的互补特性。这些机制共同作用，显著提高了复合材料的EMW衰减性能。

图1. 静电纺丝焦耳加热法合成HCNF/HEA复合材料

【研究背景】

（1）随着高频电磁技术的广泛应用，研究人员对高效电磁波（EMW）吸收材料的需求日益增加。这些材料需要具有强吸收能力、薄厚度、轻量化以及宽吸收带宽的特点，以应对复杂的电磁环境。

（2）尽管传统的金属基吸收材料在一定程度上表现出高磁损耗和强吸收能力，但其高密度和低稳定性严重制约了它们的发展和应用。

（3）高熵材料因其高组分复杂度、格子畸变、延迟扩散和“鸡尾酒效应”等特性，在EMW吸收领域受到了广泛关注。例如，通过电纺和热处理制备的高熵氧化物展示出显著宽的吸收带宽，比单一相材料宽近两倍。

（4）高熵合金具有良好的电磁波吸收潜力，但其在合成过程中存在相分离的问题，尤其是在缓慢的高温处理过程中。这使得控制合金纳米颗粒的均匀分布和微观结构变得困难。

（5）结合金属和碳成分，能显著改善材料的物理、光学和电学性能，从而增强EMW吸收性能。电纺碳纳米纤维（CNF）因其多孔结构、高表面积、高电导率和低制造成本，在EMW吸收研究中引起了极大兴趣。

（6）为了解决高熵合金的相分离问题，研究引入了焦耳加热法。这种方法通过在导体两端施加高电流，生成巨大的焦耳热，在短时间内有效控制合金的组成和微观结构，从而优化HEA的内部电子结构，增强其EMW吸收性能。

【研究方法】

（1）材料制备：首先，将1.5g聚乙烯醇（PVA）粉末溶解在8.5 g去离子水中，在90℃下搅拌3小时以制备稳定的纺丝溶液。冷却至室温后，加入0.2 mmol的金属硝酸盐（分别为Co(NO₃)₂·6H₂O、Ni(NO₃)₂·6H₂O、Fe(NO₃)₃·9H₂O、Cu(NO₃)₂·6H₂O和Mn(NO₃)₂·4H₂O），并搅拌2小时以获得均匀溶液。

（2）电纺工艺：将7.5 g聚四氟乙烯（PTFE）加入溶液中，继续搅拌3小时。然后，将溶液转移到连接21号针头的注射器中，在30±2℃和45±5%的湿度下进行电纺，施加22 kV的高压和-1.0 kV的低压，流速为0.4 mL/h，针头与收集器的距离设定为18 cm。

（3）预氧化处理：纺丝后的纤维在空气中加热至280℃，保持5小时进行预氧化处理，得到棕色纤维。

（4）焦耳加热法：将预氧化的纤维膜切成2 cm×3 cm的矩形，放置在焦耳加热装置的石墨电极板上。系统用高纯度氩气冲洗，创造无氧环境。在纤维膜的预碳化过程中，设定电压为40 V，电流为300 A，上限温度为2000 K，经过17秒的超快速焦耳加热过程，获得HCNF/HEA（HCNF/FeCoNiCuMn）。

（5）表征方法：使用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）对样品的相结构和微观结构进行表征。元素组成通过电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、X射线光电子能谱（XPS）和能量色散X射线能谱（EDX）进行分析。

（6）电磁波吸收性能测试：使用矢量网络分析仪（VNA）在2-18 GHz范围内测量样品的电磁波吸收性能。吸收材料研磨成粉末，与石蜡按质量比2 wt%混合，压制成环形样品，外径为7.0 mm，内径为3.04 mm，厚度为2.0 mm。根据公式计算反射损失。

【研究结果】

（1）结构和形貌表征：通过场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察到，制备的蜂窝状多孔碳纳米纤维（HCNF）与高熵合金（HEA）复合材料中，直径约300 nm的纤维中均匀分布了约45 nm的合金纳米颗粒，且无明显团聚现象。

（2）电磁波吸收性能：HCNF/HEA复合材料在2 wt%的超低填充量下，表现出卓越的电磁波（EMW）吸收性能。最低反射损失（RLmin）为-65.8 dB，最大吸收带宽（EAB）可达7.68 GHz。

（3）晶体结构：X射线衍射（XRD）和高分辨透射电子显微镜（HR-TEM）结果显示，HEA纳米颗粒呈现面心立方（fcc）结构，晶格常数为3.590 Å，且在快速焦耳加热处理后，碳基体的结晶度显著提高。

（4）孔隙结构：HCNF/HEA复合材料具有典型的I型和IV型吸附-脱附等温线，显示出微孔、中孔和大孔的分级孔结构。比表面积为450 m²/g，孔体积为0.57 cm³/g。

（5）电导率和热导率：HCNF/HEA复合材料表现出较高的电导率（414.7 S/cm）和热导率（1.03 W/m·K），显著优于低熵合金（LEA）和中熵合金（MEA）复合材料。这主要归因于高结晶度碳基体和HEA的协同作用。

（6）表面化学结构：通过X射线光电子能谱（XPS）分析表明，Fe、Co、Ni、Cu和Mn元素均匀分布于HEA纳米颗粒中，无明显的元素聚集现象。

（7）吸收机制：提出了HCNF/HEA复合材料的电磁波吸收机制，包括强极化损失、三维导电网络、多孔结构以及磁损耗和介电损耗的互补特性。这些机制共同作用，显著提高了材料的电磁波衰减性能。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）优化制备工艺：进一步优化焦耳加热法的参数（如电压、电流、加热时间等）以提高高熵合金（HEA）纳米颗粒的分散性和均匀性，从而提升复合材料的电磁波（EMW）吸收性能。

（2）探索不同金属组合：研究不同金属元素组合对HEA/CNF复合材料性能的影响，特别是探索其他高熵合金体系（如稀土金属、贵金属等）的可能性，以寻找性能更优的EMW吸收材料。

（3）结构和形貌的调控：通过调整碳纳米纤维（CNF）的孔隙结构和形貌，进一步优化材料的吸收性能。例如，研究不同孔径分布和纤维排列方式对材料电磁特性的影响。

（4）多功能化应用：探讨HEA/CNF复合材料在其他领域的多功能应用，如催化、储能、传感等，特别是其在高效电催化和电池电极材料中的潜力。

（5）吸收机制的深入研究：通过先进的表征手段（如同步辐射、电子显微镜等）进一步揭示HEA/CNF复合材料的EMW吸收机制，特别是不同成分和结构对极化损耗、导电损耗和磁损耗的具体贡献。

（6）环境和机械稳定性测试：评估复合材料在不同环境条件下（如高温、高湿、腐蚀性环境等）的稳定性，以及在机械应力下的性能变化，以确保其在实际应用中的可靠性。

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https://doi.org/10.1021/acsnano.3c11408