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  隨著智能家居與物聯(lián)網設備的廣泛普及，室內外電磁輻射源急劇增加，電磁干擾問題愈發(fā)突出。這類“電磁污染”不僅影響無線通信質量和智能系統(tǒng)穩(wěn)定運行，還可能對人體健康造成潛在威脅。近年來，電磁屏蔽材料研發(fā)日益受到關注，但傳統(tǒng)材料面臨成本高、工藝復雜、環(huán)境兼容性差等問題，限制了其在柔性電子和智能家居等領域的大規(guī)模應用。因此，開發(fā)綠色、輕量、低成本且高效的新型電磁屏蔽材料已成為當前研究的重點。目前，生物基屏蔽材料多采用木材作為骨架，但木材生長周期長，可持續(xù)性不足。另一方面，常用的金屬有機框架（MOF）材料也存在密度高、孔隙率有限等問題，且在碳化過程中容易出現結構坍塌和金屬顆粒聚集，導致導電性下降、界面結合變差，最終引起屏蔽效能降低、反射增加和機械性能不足。針對這些問題，竹子作為一種生長迅速、碳含量高、具有天然多孔結構的生物質材料，展現出巨大潛力。其內部的含氧官能團和層級孔道為MOF原位生長提供了有利條件。因此，通過空心化工程設計，結合MOF在竹材內的原位生長，可制備出輕質高強、屏蔽效能優(yōu)異且低反射的竹基復合材料，為發(fā)展綠色電磁屏蔽材料提供了新方向。

圖1 HCoFe@CN/BC復合材料的設計策略

  近日，安徽農業(yè)大學的陳玉霞教授團隊提出并制備了一種超薄、輕質的空心磁性CoFe碳納米籠嵌入竹衍生碳化復合材料（HCoFe@CN/BC）。該材料通過在竹纖維素支架上原位生長CoFe普魯士藍類似物，再經過酸蝕刻、壓縮與碳化工藝獲得。連續(xù)的電磁耦合網絡可實現多重能量耗散，而獨特的空心結構不僅有效降低材料密度，還促進了電磁波的多次內部反射，顯著增強屏蔽性能。性能測試表明，厚度僅0.14 mm、密度0.278 g/cm³的該復合材料，實現了50.1 dB EMI屏蔽效能、僅6.57 dB的平均反射值以及12872.6 dB cm²g^-1的比屏蔽效能，性能優(yōu)于絕大多數已報道的生物質基材料。此外，該材料在焦耳熱性能方面同樣表現優(yōu)異，僅在2V低電壓下，表面溫度即可快速升至118℃，具備智能家居低壓供熱的應用潛力。基于這些特性，HCoFe@CN/BC已在裝飾建材與智能家居系統(tǒng)中完成實際應用驗證，充分展示了其在電磁防護與熱管理領域的廣闊前景。

  相關工作以“Hollow CoFe-MOF@bamboo derived lightweight carbon composites for high-efficiency electromagnetic interference shielding and thermal management”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。通訊作者為安徽農業(yè)大學材料與化學學院陳玉霞教授、馬超副教授和郭勇教授，共同第一作者為安徽農業(yè)大學博士后魏潔和碩士生孫旭。

圖2 HCoFe@CN/BC復合材料的形態(tài)特征

  HCoFe@CN/BC復合材料的制備過程是在脫木質素和經 TEMPO 氧化處理的竹纖維支架內原位生長鈷鐵基普魯士藍類似物（CoFe PBA），隨后經過酸蝕、熱壓和碳化等步驟完成。將空心的 CoFe PBA/竹材復合材料（HCoFe PBA/B）進行壓縮處理，然后在高溫下進行碳化，從而得到壓縮后的空心 CoFe 碳納米籠/竹炭復合材料（HCoFe CN@BC）。在此過程中，復合材料中的纖維素支架和 CoFe PBA 的有機骨架轉化為碳，從而提高了電子導電性，而 Co²⁺ 和Fe³⁺ 則原位還原為金屬Co/Fe 顆粒，實現了強磁耦合。

圖3 HCoFe@CN/BC復合材料的電磁干擾屏蔽性能

  CoFe@CN/BC-900 復合材料在超薄（0.14 mm）且密度（0.278 g/cm³）極低的情況下，表現出卓越的 SSE/t 值為 12872.6 dB·cm²·g^-1，不僅超過了已報道的大多數生物源復合材料，而且也優(yōu)于先前報道的碳基復合材料。這種出色的表現使其成為智能家居和可穿戴電子應用中下一代電磁干擾屏蔽的有競爭力的候選材料。

圖4 HCoFe@CN/BC復合材料的焦耳熱性能

  HCoFe@CN/BC復合材料在輸入電壓（U）范圍從 0.5 至 2 V時，表現出高效的能量轉換。穩(wěn)態(tài)飽和溫度（Ts）迅速上升，在 0.5、1、1.5 和 2 V的施加電壓下分別達到 30.5、46.4、79.7 和 118 ℃的平衡值。值得注意的是，在加熱過程中，無論施加的電壓如何，都能觀察到持續(xù)快速的熱響應時間（<15 s），這表明 HCoFe@CN/BC復合材料具有快速的熱響應能力。基于此，進一步將HCoFe@CN/BC復合材料的熱管理性能在建筑工程應用方面進行驗證。將一塊HCoFe@CN/BC壁紙貼在木板上，用作木屋模型的熱源。施加外部電壓后，涂有該壁紙的木板表面溫度明顯高于環(huán)境溫度，形成了明顯的溫差。

圖5 HCoFe@CN/BC復合材料的電磁屏蔽應用演示

  此外，通過在嬰兒床下方安裝特斯拉線圈來構建室內家庭場景，以模擬電動嬰兒床可能產生的電磁輻射暴露情況。當線圈激活時，放置在嬰兒床表面的白熾燈泡會亮起。當將復合材料用作嬰兒床面板上的屏蔽層時，后續(xù)線圈的激發(fā)無法觸發(fā)白熾燈泡的亮起，這表明該復合材料在輻射防護方面具有極好的潛力，非常適合用于可穿戴電子設備和智能家居系統(tǒng)等新興應用中。

  原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adfm.202513845