通过控制晶体晶面的界面极化，在Cu-MOFs@MWCNTs体系中实现超高的微波吸收效应

《Materials Today Chemistry》：Ultra-high microwave absorption in Cu-MOFs@MWCNTs via crystal facet-controlled interfacial polarization

通过调节月桂酸（LA）的配位量，成功制备了具有立方-A、八面体-B和十四面体-C三种不同形貌的Cu-MOF-199。采用π-π堆积将MOF-199与多壁碳纳米管（MWCNTs）复合，构建三维导电网络结构。扫描电镜显示三种形貌的MOF颗粒尺寸均约2μm，且表面光滑。研究表明，十四面体-MOF-199@MWCNTs的反射损耗最低（-48.16dB），显著优于立方-A（-23.21dB）和八面体-B（-45.77dB）形态。结论表明：晶面数量增加和异质界面增多可提升电磁波吸收性能，机制涉及多重反射散射与界面极化损耗增强。

　　

Mohammad Reza Abdi | Fatemeh Feli

伊朗霍拉马巴德洛雷斯坦大学化学系分析化学教研室分析化学研究实验室

摘要

通过调节月桂酸（LA）的用量，采用溶剂热法制备了具有三种不同形态的金属有机框架MOF-199：立方体（六面体）-A、八面体-B和十四面体-C。同时，通过MOF-199中的有机配体苯环π电子与MWCNTs的π电子之间的π-π堆叠作用，构建了具有三维结构的MOF-199@MWCNTs复合材料。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，获得了三种不同形态的MOF颗粒，平均粒径约为2 μm。本文旨在研究MOF的形态对其吸收性能的影响。由于十四面体MOF-199-C具有更多的平面和丰富的异质界面，其复合材料的反射损耗（RL_min）达到了-48.16 dB，高于立方体MOF-199-A@MWCNTs（-23.21 dB）和八面体MOF-199-B@MWCNTs（-45.77 dB）复合材料。结果表明，增加反射、散射和异质界面有助于提高吸收性能。

引言

随着电子技术和无线电信息技术的快速发展，尤其是在5G时代，新一轮科学和技术革命正在兴起。民用数字设备日益融入我们的日常生活，为人们带来了便利和速度[1,2]。然而，电子技术的发展也带来了越来越多的电磁辐射和干扰，这对身体健康[3]、电子设备灵敏度[4]和信息安全[5]构成了重大挑战。因此，开发高效的电磁波吸收材料以对抗电磁污染并减少电磁波的危害至关重要[6,7]。

金属有机框架（MOFs）是一种具有多孔结构的有机-无机杂化功能材料，以其多样的结构、强的结晶性、可调的孔径大小、较大的比表面积、易于功能化和修饰而闻名[8,9]。研究人员对MOFs表现出极大的兴趣，因为它们具有多样的结构和设计潜力[10,11]。然而，单独使用MOFs作为微波吸收材料时，由于在MOF的配位框架中难以形成有效的电子传输和迁移，导致其电磁波吸收性能较差[12],[13],[14]。因此，需要进一步对其进行改性以发挥其作为吸波材料的潜力。

多壁碳纳米管（MWCNTs）具有独特的一维管状纳米结构，并具有优异的导电性，是最有潜力的吸波材料之一[15]。通过利用π-π堆叠控制方法将MOFs与MWCNTs结合，可以构建三维网络结构，其中MOFs作为骨架支撑在MWCNTs之间，MWCNTs附着在MOFs上，这可以提高阻抗匹配度并增加损耗能力[16]。同时，这种结构产生了大量的异质界面，增强了多次反射散射和界面极化损耗，从而最终提高了吸波性能[17]。

根据电磁波吸收原理，如果设计出具有不同形态的MOFs，入射电磁波在材料内部的传播路径将受到显著影响，从而影响其吸收性能[18,19]。基于形态影响吸收性能的这一理念，本文采用溶剂热法制备了具有不同形态（立方体、八面体和十四面体）的Cu基MOF-199，其中Cu²⁺作为金属中心，1,3,5-苯三甲酸作为有机配体，月桂酸（LA）作为配位调节剂。对于具有大量平面的复杂形态的MOFs，有助于构建三维导电网络结构，提高导电损耗和极化损耗，并改善阻抗匹配[18]。在合成过程中，通过调节LA的用量来调控MOFs的形态[20]。

晶体形态的调控机制如下：当LA的用量较低时，(111)晶面的结合能高于(100)晶面（E(111) > E(100)），因此(100)晶面的生长速率快于(111)晶面，晶体形态呈现为八面体；当LA的用量增加时，两种晶面的结合能发生反转，月桂酸与桥接配体BTC^3?竞争与铜离子簇的配位，导致(100)晶面的结合能升高，此时两种晶面的生长速率变为v(111) > v(100)，从而使晶体形态呈现为立方体[21]。在适当的LA用量下，(111)和(100)晶面的结合能相当，它们的生长速率相同，最终形成十四面体（立方体-八面体）MOF-199晶体。本文探讨了配位调节剂用量对MOFs形态和结构的影响。图1展示了具有不同形态的MOF-199的制备过程。本文旨在研究MOF的形态对其微波吸收性能的影响，并探讨其吸收机制。

材料

无水乙醇（CH₃CH₂OH，99.5%）、硝酸铜三水合物（Cu(NO₃)₂·3H₂O，98%）、甲醇（CH₃OH，99.5%）、1-丁醇（CH₃(CH₂)₃OH，99%）、1,3,5-苯三甲酸（C₉H₆O₆，99%）、H₃BTC和月桂酸（CH₃(CH₂)₁₀COOH（LA）均购自德国达姆施塔特的Merck KGaA公司；MWCNTs（长度：10–30 μm，直径：5–30 nm）购自美国US Research Nanomaterials Inc.公司。所有试剂均为分析级。

不同形态MOF-199的制备

通过...方法合成了具有不同形态的MOF-199

MOF-199的结构和形态

MOF-199-A、MOF-199-B和MOF-199-C的XRD图谱如图2(a)所示，底部灰线代表MOF-199的理论模拟谱线。从图2(a)可以看出，合成样品在2θ值为6.7°、9.4°、11.6°、13.4°、16.4°、17.4°、19.0°、20.2°和25.9°处有明显的衍射峰，分别对应于(200)、(220)、(222)、(400)、(422)、(333)、(440)、(442)和(553)晶面，这些峰与理论模拟结果吻合良好

结论

通过调节配位调节剂LA的用量，采用溶剂热法制备了三种不同形态的MOFs：立方体（六面体）、八面体和十四面体。FESEM结果显示，这三种MOF颗粒的粒径约为2 μm，其晶面光滑平整，具有明显的层间角度，显示出良好的结构规整性。通过π-π堆叠作用，构建了MOF@MWCNTs的三维导电网络结构

CRediT作者贡献声明

Mohammad Reza Abdi：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、验证、资源协调、项目管理、方法论设计、实验研究、资金获取、数据分析、概念构思。 Fatemeh Feli：初稿撰写、验证、资源协调、方法论设计、实验研究、资金获取、数据分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢洛雷斯坦大学高等教育研究委员会（资助编号：LU-9711111013-2025）对本研究的财务支持。