南京理工大学化工学院张根

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近日，我院张根、苏剑教授课题组在可控电磁波吸收领域取得关键进展，该工作受金属有机框架材料（MOF）的原子协调特性及双金属合金化策略启发，使用本征二维导电MOF，M3(HITP)2 (M = Co、Ni、Cu)作为电磁波吸收剂，实现了高效电磁波吸收。在此基础之上，依托MOF材料的定制功能化特性，合成了一系列双金属MOF, MxM3-x(HITP)2，通过金属有机框架中的原子调谐实现了电磁波吸收性能的飞跃突破及吸收频段的可控调节。这将是该领域向可定制功能化步骤迈出的关键一步。其相关成果在国际期刊《Advanced Functional Materials》上发表。我校为第一通讯单位。2021级博士生陈聪杰为论文第一作者，张根教授和苏剑教授为通讯作者。文章链接为https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202305082
        成果简述：通信技术的快速发展，特别是5G技术的出现，标志着人类社会开始进入万物互联时代，以千兆赫（GHz）频率为代表的智能设备广泛应用于人们的日常生活中。因此，具有高吸收、宽频率、薄厚度、低填充和柔性可控的电磁波吸收材料越来越受到关注。传统的电磁波（EMW）吸收材料，虽然表现出优异的吸收效率，但可控性有限。此外，阻碍传统微波吸收材料（MAM）发展的关键因素是缺乏精确可控的原子分辨晶体结构，这阻碍了对其机理的理解和进一步的后合成改性。开发能够解决上述问题的新型电磁波吸收材料仍然是一个巨大的难题。

        金属有机框架（MOFs）由于其美观的结构、精确的定制功能、大的孔隙率和高比表面积等特点，可用于可调谐EMW吸收材料。然而，大多数MOFs较差的导电性阻碍了它们的EMW吸收性能，使得本征MOF在EMW吸收方面的直接应用难以实现。为了提高MOFs的介电损耗，通常采用两种策略：将MOFs碳化为碳基材料和与具有优异电磁特性的材料复合形成MOF复合物。不幸的是，高温下的碳化和孔道中客体分子的限制极易导致框架坍塌并降低孔隙率。此外，通常不可能预测这些MOF衍生物的原子分辨结构，因为热解和限制的不确定性进一步限制了对结构-性质关系的理解。
        鉴于此，本团队认为本征二维共轭金属有机框架（2D c-MOFs）可能是可控高效EMW吸收的最佳候选者。首先，2D c-MOFs通常是半导体，具有适度的电迁移率，使其能够在不经历强趋肤效应的情况下保持传导损耗。其次，MOFs的多孔结构是一个自然特征，它扩展了电磁波的反射路径，从而增加了吸收。第三，多种金属离子、末端官能团和晶界的结合产生了丰富的极化损耗。更重要的是，MOFs的网状合成有利于通过增大电磁损耗和调整匹配特性来提高EMW的吸收性能。为了验证我们的猜想，我们通过简单水热法合成了2D cMOF,M3(HITP)2(M = Co、Ni、Cu)，并通过双金属合金化策略合成了一系列双金属MOF，MxM3-x(HITP)2，在我们的调控之下，Cu1.3Ni1.7(HITP)2在厚度仅为2.1 mm时的最小反射损耗（RL）值高达-71.5dB,有效吸收带宽（EAB）为6.16 GHz（11.84–18 GHz），覆盖了整个Ku波段（12–18 GHz）。与MOF衍生物甚至常规吸收材料相比，Cu1.3Ni1.7(HITP)2的综合性能名列前茅。令人鼓舞的是，可以通过调控金属比来实现对CuxNi3-x(HITP)2的电磁参数和吸收峰位的精细控制。这些发现证明了本征双金属MOF从组成、微观结构、介电性能到EMW吸收性能的全面可控性，为本征导电2D MOFs用于高效调谐电磁波吸收器提供了新的见解。
         该工作得到了国家自然科学基金、江苏省杰出青年基金、中央高校基础科研业务费和软化学与功能材料教育部重点实验室的支持，机械学院谢阿明副研究员、电光学院陶诗飞研究员以及京都大学北川进教授和堀毛吾史教授对该工作给予很大的帮助。