研究背景
目前，制备碳基电磁屏蔽材料的主要策略是将石墨烯或碳纳米管与聚合物基体复合，构建三维交联网络结构，虽然这些复合材料表现出满足商业应用的电磁屏蔽性能，但通常需要注入大量石墨烯或碳纳米管来弥补聚合物绝缘性的问题。此外，这些碳基复合材料还存在制造成本高、易燃性等问题，限制了其作为电磁屏蔽材料的大规模应用。因此，制备具有低成本、可持续、高效的电磁屏蔽材料仍然是一个巨大的挑战。
针对以上问题，华南理工大学轻工科学与工程学院、制浆造纸工程国家重点实验室刘传富教授、蓝武副教授团队设计了一种将生物质制备电磁屏蔽材料的方法：通过在碳化木材表面和孔道内原位生长N掺杂的碳纳米管包覆的镍纳米颗粒（Ni@NCNT）构建一个集成式多孔碳框架。该碳框架材料完全保留了天然木材有序开放的微通道结构，Ni@NCNT在通道内可控生长，形成三维连续的电磁网络。掺杂磁性Ni纳米粒子和杂原子N可以改善阻抗匹配，诱导多重磁介网络形成协同效应，从而实现高性能的电磁干扰屏蔽。
图文解读
Ni@NCNT-CW的制备与表征
制备方法如图1所示。SEM图显示了碳化木材的有序开放孔道，有利于Ni@NCNT在孔壁上的原位生长。这种集成式结构不仅提高了电子传递速率和电导率，还增强了电磁波在微孔道中的多重反射。此外，Ni@NCNT-CW独特的多孔结构使其具有轻量化和优异的机械强度，可承受自重6500倍以上。TEM图显示，镍纳米颗粒嵌入竹状碳纳米管的尖端。这种碳包覆结构有效地防止了磁性金属的腐蚀，并进一步诱导了界面处电荷的重新分布，有利于提高电磁屏蔽性能。
图1. (a) Ni@NCNT-CW制备示意图，(b) Ni@NCNT-CW-2的力学性能，(c, d) Ni@NCNT-CW-2的SEM图，(e-g) Ni@NCNT-CW-2的TEM和HRTEM图像，(h) Ni@NCNT-CW-2的EDS元素映射图(C、N、O、Ni)。
电磁屏蔽性能及机制
由图2a可知，磁性颗粒的引入不仅可以改善磁损耗和介电损耗，还可以降低反射损耗。Ni@NCNT-CW-2的SET值约83.24 dB。另一方面，N含量较高的样品具有较好的EMI屏蔽效果，这表明N掺杂不仅促进Ni@NCNT的形成，还会增加界面极化，从而增加介电损耗 (图2b)。与Ni@CW-0相比，Ni@NCNT-CW-2显示出更高的电磁屏蔽性能。这是由于Ni@NCNT在碳化木材孔道表面和内部原位生长，进一步增加了碳基体的比表面积，从而增强了电磁波的多重反射和吸收。此外，这种集成式的三维分层多孔结构不仅可以降低界面电子传输阻力，提高导电性，还可以形成磁介质网络，产生协同效应，从而提高电磁屏蔽性能。磁性金属Ni和异质原子N掺杂后，电导率的提高和界面处电荷的重新分配增加了磁损耗和介电损耗，保证了电磁波的有效衰减和吸收。
图2. (a-f) 电磁屏蔽性能图，(g) 电磁屏蔽机理图，(h) 不同材料电磁屏蔽性能和厚度比较。
焦耳加热性能
除了优异的电磁屏蔽性能外，Ni@NCNT-CW-2还具有优越的焦耳加热性能。Ni@NCNT-CW-2的表面温度随着驱动电压的提高而逐渐升高，在3.0 V的低电压下达到146.5℃，表明可以通过改变输入电压而加热可控，焦耳加热性能效率高。此外，Ni@NCNT-CW-2的表面温度对输入电压的微小变化响应迅速(从0.5 V到3.0 V)，显示出出色的电热转换性能(图3d)。第1、5、10次循环的表面温度曲线几乎完全重合，表明Ni@NCNT-CW-2稳定的电热转换性能 (图5e)。Ni@NCNT-CW-2表面温度随不同输入电压的加载和卸载有规律地上升和下降，表明出可靠的循环稳定性 (图3f)。同时，Ni@NCNT-CW-2的温度在2.2 V电压下高达90°C，并保持了3600 s以上，进一步证实了长期稳定的焦耳加热性能(图3g)。
图3. (a) 不同驱动电压下Ni@NCNT-CW-2表面温度随时间的变化，(b) 温度随U2的线性拟合，(c) 不同电压下的热红外图像，(d) 电压梯度变化下Ni@NCN-CW-2的表面温度，(e) Ni@NCNT-CW-2在2.0 V下第1、5、10次循环时的循环稳定性，(f) Ni@NCNT-CW-2在1.0、2.0、3.0 V输入电压下的温度稳定性，(g) Ni@NCNT-CW-2在2.2 V输入电压下的温度稳定性，(h) NW和Ni@NCNT-CW-2自熄性能。
研究总结
该研究团队聚焦生物质基电磁屏蔽材料的研究，通过设计在碳化木材表面和孔道内原位生长N掺杂的碳纳米管包覆的镍纳米颗粒，构建了一个具有连续导电路径的集成式三维碳框架用于电磁屏蔽。所制备的碳框架具有良好的电磁干扰屏蔽、电热转换、轻质和自熄灭性能，在航空航天、军事和人工智能领域具有巨大的应用潜力。该研究工作为天然木材制备高性能电磁屏蔽材料提供了新的思路。
论文信息
该研究以“In situ Construction of Biomass derived 3D Carbon Framework for Efficient Electromagnetic Interference Shielding and Joule Heating Performance”为题发表于《Chemical Engineering Journal》。华南理工大学郝茜珣博士为第一作者，刘传富教授和蓝武副教授为共同通讯作者。
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894723064136?via%3Dihub