以海藻为原料制备轻质多孔碳材料，用于电磁波吸收

1成果简介

　　本文，中国海洋大学 张志明教授、于良民 教授等在《Carbon》发表名为“In-situ Evaporation of Nano Zn to Prepare Alginate-derived Lightweight Porous Carbon for Electromagnetic Wave Absorption”的论文，研究通过冷冻干燥和碳化处理，成功从Zn²⁺-海藻酸盐水凝胶中制备出源自海藻酸盐的轻质多孔碳材料（ZnAc-C）。在气凝胶碳化过程中，Zn²⁺原位转化为纳米级锌，随着锌的挥发，在ZnAc-C产物中形成了丰富的微孔。通过调节制备气凝胶所用的醋酸锌用量及碳化温度，获得了孔隙率各异的ZnAc-C材料。得益于其发达的多孔结构和适度的石墨化程度，在750 °C和800 °C下碳化的ZnAc-C展现出了优异的电磁波（EMW）吸收性能。在较低的填充率（3 wt.%）下，其最大反射损耗分别达到-53.8 dB和-46.8 dB，有效吸收带宽分别达到5.0 GHz和4.5 GHz。本研究确定了一种制备具有出色电磁波吸收性能的轻质多孔碳材料的简单、低成本制备路线。

2图文导读

　　Fig. 1. Schematic illustration of the synthesis of ZnAc-C.

　　Fig. 2. Optical photograph of (a) ZnAc-aerogels and SA-aerogel. SEM images of (b) ZnAc-aerogel-0.1, (c) ZnAc-aerogel-0.08, (d) ZnAc-aerogel-0.06, (e) ZnAc-aerogel-0.04, (f) ZnAc-aerogel-0.02 and (g) SA-aerogel. SEM images of (b’) ZnAc-C-0.1-800, (c’) ZnAc-C-0.08-800, (d’) ZnAc-C-0.06-800, (e’) ZnAc-C-0.04-800 and (g’) SA-C.

　　Fig. 3. TEM images and elemental mapping of (a-a’’’) ZnAc-C-0.1-800 and (b-b’’’) ZnAc-C-0.06-800. (c) XPS spectra of ZnAc-C-0.1-800 and (d) ZnAc-C-0.06-800. (e) XRD pattern, (f) TG curves and (g) Raman spectra of ZnAc-C.

　　Fig. 4. N2adsorption/desorption isotherms and pore size distribution of (a) ZnAc-C-0.1-800, (b) ZnAc-C-0.08-800, (c) ZnAc-C-0.06-800, (d) ZnAc-C-0.04-800 and (e) SA-C. (f) SBET(line-symbol) and Vtotal(column) of ZnAc-C-0.1-Y and ZnAc-C-0.06-Y.

　　Fig. 7. 3D presentation of RCS simulation of ZnAc-C-0.06 at different frequency: (a) 13.50 GHz, (b) 14.47 GHz, (c) 15.44 GHz, (d) 17.22 and (e) 18.0 GHz; (f) 1D curves of RCS simulation of ZnAc-C-0.06 and pure PEC.

　　Fig. 5. EMW absorption performance and three-dimensional representation of values of (a, a’) ZnAc-C-0.1-800, (b, b’) ZnAc-C-0.08-800, (c, c’) ZnAc-C-0.06-800, (d, d’) ZnAc-C-0.04-800, (e, e’) SA-C, and their (f) , (g) , (h) Cole-Cole curves and (i) curves.

　　Fig. 6. EMW absorption performance, quarter-wavelength matching model and three-dimensional representation of values of (a-a’’) ZnAc-C-0.06-700, (b-b’’) ZnAc-C-0.06-750, (c-c’’) ZnAc-C-0.06-800, (d-d’’) ZnAc-C-0.06-850 and (e-e’’) ZnAc-C-0.06-910.

　　Fig. 7. Possible EMW absorption mechanism of ZnAc-C.

　　3小结

　　基于可再生的海藻酸钠，建立并探索了一种制备轻质分级多孔碳的简单且环保的方法。首先制备了Zn²⁺-海藻酸钠气凝胶，随后进行冻干和碳化处理。碳化过程中伴随着Zn²⁺的还原和Zn的挥发。低于锌沸点的碳化温度（750 °C 和 800 °C）足以去除几乎所有的锌。通过调节气凝胶前驱体中 Zn²⁺ 的含量，获得了具有良好阻抗匹配的轻质碳材料。降低 Zn²⁺ 的含量有利于形成更小的纳米锌，因此由于尺寸效应，纳米锌颗粒更容易挥发。通过优化前驱体中的Zn²⁺含量和碳化温度，ZnAc-C-0.06-800在填充率仅为3 wt.%时，实现了-46.8 dB的RLmin（9.0 GHz，3.5 mm）和4.5 GHz的EAB（13.5-18.0 GHz，2.0 mm）。略微降低碳化温度后，在相同的填充率下，ZnAc-C-0.06-750 展现出更优的最小反射系数 (RLmin) 为 -53.8 dB（7.0 GHz，4.0 mm）和有效吸收带宽 (EAB) 为 5.0 GHz（12.9-17.9 GHz，2.0 mm）。这些源自海藻酸盐的碳材料成本低且重量轻，非常适合用于电磁波吸收应用。

　　文献：
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.122071

　　来源：材料分析与应用1