Zn-MOFs衍生多孔碳的制备与吸波性能及其在聚酯织物中的应用

《Synthetic Communications》：Preparation and wave-absorbing properties of Zn-MOFs derived porous carbon and its application in polyester fabric

电磁波吸收材料研究：基于Zn-MOFs衍生碳的多级结构制备及织物复合应用。采用溶剂热法合成Zn-MOFs多级催化剂，经高温煅烧获得高孔隙率碳材料。测试表明3mm厚度N3(800)样品在11.2GHz处反射损耗达-35.50dB，有效带宽5.28GHz。将材料涂覆聚酯织物后，摩擦后仍保持-27.8dB反射损耗，水洗后性能稳定于-29.5dB，验证了其优异的电磁波吸收性能和织物复合可行性。

　　金属有机框架（Metal-Organic Frameworks, MOFs）因其独特的结构和可控性，在波吸收领域展现出巨大的潜力。近年来，随着信息技术、电子设备和军事隐身技术的快速发展，电磁波对人类健康和环境的影响日益受到关注。因此，开发高效且稳定的电磁波吸收材料成为研究热点。相较于传统的磁性吸收材料，介电吸收材料具有更低的密度和更高的介电损耗，这使得它们在电磁波吸收应用中更具优势。特别是在纺织品领域，将高效的电磁波吸收材料添加到织物中，可以有效防止磁辐射污染，提高人们的防护水平。

在众多碳基材料中，基于MOFs的碳材料因其高孔隙率、大比表面积、可调的微结构以及可调整的介电性能而受到广泛研究。这类材料不仅具有优异的电磁波吸收性能，还能在复杂的环境条件下保持良好的稳定性和耐久性。其中，由Zn-MOFs（锌金属有机框架）衍生的碳材料因其出色的物理化学稳定性，被认为是具有前景的电磁波吸收材料。Zn-MOFs衍生的碳材料在高温碳化过程中可以形成具有规则微孔结构的多面体形态，从而进一步优化其电磁波吸收性能。

本研究通过一种简单且环保的方法，利用Zn(NO?)?·6H?O和2-甲基咪唑合成Zn-MOFs多面体催化剂。随后，通过高温氮气气氛碳化，将这些多面体结构转化为Zn-MOFs衍生的碳材料。在制备过程中，通过调节不同的温度和颗粒尺寸，可以有效控制碳材料的电磁参数及其对电磁波的吸收特性。实验结果显示，在厚度为3.00毫米的条件下，Zn-MOFs衍生的碳材料N3(800)在11.2 GHz频率下实现了?35.50 dB的最优反射损耗（RL），并且其有效吸收带宽达到了5.28 GHz。这一性能指标表明，该材料在电磁波吸收方面具有较高的效率和较宽的适用范围。

为了进一步提高其在实际应用中的可行性，研究人员将制备好的Zn-MOFs衍生碳材料N3(800)涂覆到聚酯织物上。通过测试涂层材料的耐洗性和耐摩擦性，发现其在实际使用过程中仍能保持良好的电磁波吸收性能。在11 GHz频率下，有效吸收带宽为3.2 GHz时，涂覆后的材料实现了?31.1 dB的最优反射损耗。经过摩擦处理后，其最优反射损耗下降至?27.8 dB，有效吸收带宽也缩减为2.3 GHz。而经过水洗处理后，其最优反射损耗为?29.5 dB，有效吸收带宽为2.48 GHz。尽管经过摩擦和水洗后，其性能有所下降，但仍然保持了较高的吸收效率，表明该材料在实际应用中具有良好的稳定性和耐用性。

在实际应用中，电磁波吸收材料的性能不仅取决于其本身的吸收能力，还与其在织物上的附着性和耐久性密切相关。因此，研究如何在保持材料高性能的同时，提高其在织物上的固定性和抗摩擦、抗水洗能力，是提升其实际应用价值的关键。本研究中，Zn-MOFs衍生碳材料在涂覆到聚酯织物后，仍能维持较好的电磁波吸收效果，且对织物的性能影响较小。这说明该材料在与织物复合时，具有良好的兼容性和稳定性，能够有效提升织物的电磁波屏蔽能力。

此外，Zn-MOFs衍生碳材料还具有一定的化学和热稳定性，使其能够在多种环境条件下保持性能。在高温碳化过程中，Zn-MOFs材料会生成ZnO（氧化锌），这是一种具有氧化抵抗性和环境稳定性的半导体材料。ZnO的存在不仅提高了材料的物理稳定性，还可能对电磁波吸收性能产生积极影响。因此，Zn-MOFs衍生碳材料在电磁波吸收方面具有多重优势，包括良好的阻抗匹配、高介电损耗以及可调节的微结构。

在制备过程中，研究人员采用了简单且环保的搅拌法，在常温下合成Zn-MOFs材料。这种方法不仅降低了制备成本，还减少了对环境的影响，符合当前可持续发展的要求。随后，通过高温氮气气氛碳化，将Zn-MOFs材料转化为具有多面体结构的碳材料。在这一过程中，通过调节甲醇与Zn2?的摩尔比（如205:1、500:1和795:1），可以控制材料的颗粒尺寸和孔隙率，从而进一步优化其电磁波吸收性能。实验结果表明，不同颗粒尺寸的Zn-MOFs衍生碳材料在电磁波吸收方面表现出不同的性能，其中特定尺寸的材料能够实现最优的反射损耗和吸收带宽。

在结构和形态方面，Zn-MOFs衍生碳材料展现出良好的多面体结构，表面光滑，颗粒尺寸可控。这种结构不仅有助于提高材料的比表面积，还能增强其对电磁波的散射和吸收能力。同时，通过调节碳化温度和颗粒尺寸，可以进一步改善材料的阻抗匹配性能，使其在不同频率范围内都能实现高效的电磁波吸收。此外，Zn-MOFs衍生碳材料的可调性使其能够根据具体应用需求进行优化，例如在需要宽频带吸收的场景中，可以采用更高的碳化温度和特定的颗粒尺寸来提高吸收带宽。

为了验证Zn-MOFs衍生碳材料在实际应用中的性能，研究人员对其进行了涂覆实验，并测试了涂覆后的材料在不同条件下的电磁波吸收效果。实验结果表明，涂覆后的材料在11 GHz频率下仍能保持较高的吸收效率，且其有效吸收带宽较为稳定。尽管经过摩擦和水洗处理后，其反射损耗略有下降，但整体性能仍然优于许多传统碳基材料。这说明Zn-MOFs衍生碳材料在实际应用中具有良好的耐久性和稳定性，能够满足多种应用场景的需求。

本研究的成果不仅为开发新型电磁波吸收材料提供了理论依据和技术支持，也为将这些材料应用于纺织品领域提供了可行的解决方案。Zn-MOFs衍生碳材料因其优异的物理化学性能和良好的附着性，被认为是一种具有广阔应用前景的电磁波吸收材料。未来，进一步研究其在不同频率范围内的吸收性能，以及如何通过改性手段提高其耐久性和稳定性，将有助于拓展其在更多领域的应用。

综上所述，Zn-MOFs衍生碳材料作为一种新型的电磁波吸收材料，具有较高的反射损耗、较宽的有效吸收带宽以及良好的附着性。其制备过程简单且环保，能够在多种条件下保持稳定的性能。因此，该材料在实际应用中展现出巨大的潜力，尤其是在需要高性能电磁波吸收和良好耐久性的纺织品领域。未来的研究可以进一步探索其在不同环境下的表现，以及如何通过与其他材料复合来提高其整体性能，从而推动其在更多领域的应用和发展。