北邮/清华Nano Research：400°C焦耳热合成高活性CoOₓ@NMC催化剂

【研究背景】

随着信息技术的快速发展，尤其是5G向6G通信系统的演进，电磁环境日益复杂，电磁兼容与防护问题在民用、国防等领域显得尤为关键。传统电磁波吸收材料通常具备固定的吸收性能，难以适应动态变化的电磁环境，限制了其在先进电子系统、航空航天和军事隐身等场景中的应用。因此，开发具有动态可调谐性能的微波吸收材料成为当前研究的迫切需求。现有研究虽尝试通过热致相变、机械形变或电压调控等方式实现性能调节，但仍存在响应慢、能耗高、集成困难等挑战，亟需一种高效、低功耗、易集成的动态调控新策略。

【文章概述】

近日，北京邮电大学黄凯教授/毕科教授及清华大学伍晖教授团队在Nano Research期刊发表题为“Tunable microwave absorption driven by electrochemically air-breathing”的研究论文。本研究提出了一种基于电化学反应的智能可调微波吸收器件，通过将锌空气电池模块集成于多层吸波结构中，利用电化学过程中氧气在界面的原位生成与消耗，动态调节阻抗匹配状态，从而实现微波吸收性能的主动调控。研究创新性地采用两步法合成关键双功能催化剂：首先通过液相机械化学混合实现前驱体均匀分散，随后利用快速焦耳热技术（400°C，空气气氛，2分钟）一步完成Co(NO₃)₂向Co₃O₄相的热转化与氮掺杂碳基体的复合，高效制备出高活性的CoOₓ@NMC催化剂。基于此催化剂并结合固态水凝胶电解质构建的柔性器件，在6–18 GHz频段内实现了最高15 dB的调制深度，且在200次弯曲循环后仍保持稳定的调节能力。该工作为可调吸波材料的设计提供了从高效催化剂制备到器件集成的新思路，兼具结构简化、响应快速和低能耗等优势。

CoOx@NMC催化剂合成过程示意图

【图文导读】

图1 电化学驱动可调微波吸收机制示意图

该图展示了多层吸波器件的结构组成与工作机制，包括阻抗匹配层、吸收层和反射层。在充放电过程中，氧气在空气扩散电极界面发生原位生成与消耗，动态调节匹配层与空气之间的阻抗匹配状态。充电时氧气生成提升匹配度，促进电磁波进入并经由多重内反射耗散；放电时氧气消耗导致阻抗失配，反射增强、吸收减弱。该机制实现了基于气体介质的非接触式阻抗调节，为动态电磁响应提供了新途径。

图2 CoOx@NMC催化剂的结构与性能表征

CoOx@NMC催化剂通过两步法制备，包括液相机械化学混合与随后的快速焦耳热处理（400°C，空气气氛，2分钟），该过程促使Co(NO3)₂前驱体转化为Co3O4相，并形成氮掺杂介孔碳支撑的簇状复合结构。HRTEM显示Co3O4晶格条纹（2.46 Å，对应（311）晶面），SAED进一步确认其晶体结构；XRD表明Co3O4与Co0相共存，证实焦耳加热过程中Co物种的受控氧化；XPS显示Co呈Co³⁺/Co²⁺混合价态，表面富含活性氧物种；M-H曲线证实其铁磁特性。该催化剂在碱性条件下表现出优异的ORR/OER双功能活性，其低Tafel斜率（60.3 mV dec⁻¹）和低过电位（357 mV@100 mA cm⁻²）为高效气泡生成与快速阻抗调节奠定了基础。

图3 锌空气电池器件的电磁性能测试

采用波导传输线法测试了基于ZAB器件的S参数与电磁性能。在不同电流密度下进行充放电测试，发现充电过程中气泡生成速率与电磁波吸收效率呈正相关。器件在12–18 GHz频段内实现最高12 dB的调制深度，并在6小时连续循环中保持稳定。尽管受限于器件厚度与支撑结构，其有效调制频宽受限，但验证了电化学调控微波吸收的可行性。

图4 柔性器件的吸收性能与机械稳定性

通过使用水凝胶固态电解质构建柔性器件，有效抑制了波导测试中的电磁泄漏，并显著提升了器件的机械耐受性。在6–18 GHz范围内，充电状态下吸收系数A较放电状态提升超过50%，最大调制深度达15 dB。经过200次弯曲、折叠与卷曲循环后，器件调制性能未出现明显衰减，表明其具备良好的结构完整性与环境适应性，适用于可穿戴与集成系统。

【结论】

总之，本研究提出了一种基于电化学阻抗匹配调控的多层可调微波吸收策略，通过将锌空气电池与吸波结构耦合，利用充放电过程中氧气在界面的动态变化，实现了对阻抗匹配状态的实时、可逆调节。该机制避免了传统热控或机械调控的能耗高、响应慢等问题，兼具快速响应、低能耗和高集成度优势。所制备的柔性器件在宽频段（6–18 GHz）内表现出高达15 dB的调制深度，并在反复形变下保持性能稳定，展现出在下一代可穿戴电子、自适应集成电路、智能家居及雷达隐身等领域的应用潜力。未来可探索更多气体介质、电解质体系与结构设计，以进一步提升调制带宽、环境稳定性与多功能集成能力。

【论文信息】

Xinyu Xie1,2, Yufeng Wu1,2,3, Yunzhi Li1,2, Anqi Li1,2, Jiaoyang Gong1,2, Chang Li1,2, Zhuting Zhang2, Hsiang-shun Chang2, Yan Feng2, Tanyi Wang1,2, Peng Du4, Hehe Wei2, Jianchun Xu1, Yunjian Guo1, Kai Huang1(), Ming Lei1,5, Ke Bi1(), Hui Wu2,3(). Tunable microwave absorption driven by electrochemically air-breathing. Nano Research, 2025