随着第五代（5G）乃至第六代（6G）通信技术、可穿戴电子和柔性传感的飞速发展，电磁干扰（EMI）与辐射污染已成为不容忽视的问题。传统的金属屏蔽材料虽效能卓越，但其固有的刚性、易腐蚀及难以集成等缺点，无法满足新一代柔性设备对可拉伸、自愈合及环境适应性的苛刻要求。导电水凝胶因其独特的导电网络、优异的机械柔性和生物相容性，被视为理想候选者。然而，常规水凝胶面临低温冻结、易失水、机械强度与自愈合性能难以兼顾等瓶颈。近日，化学与化工学院黄文欢教授课题组与合作者在柔性电磁屏蔽材料领域取得重要进展。团队通过将氮杂环金属有机框架（MET-6）衍生的Fe@C多孔碳纳米材料，与聚乙烯醇（PVA）、淀粉和单宁酸（TA）复合，成功制备出一种多功能Fe@C/TPS复合水凝胶。该材料集高电磁屏蔽效能（X波段最高56.97 dB）、快速自愈合能力（屏蔽效能恢复92.75%）、优异拉伸性（断裂伸长率>240%）、卓越抗冻性（-50℃仍保持柔性）以及高灵敏度应变传感（GF=4.7）等多种功能于一体，为解决柔性电子设备在复杂环境下的电磁防护难题提供了创新性的材料解决方案。该研究成果以题为“Nitrogen-Rich Azolate Framework-Derived Porous Carbon Nanocomposite Hydrogels Shielding Material with Tunable Dynamic Bonding-Induced Self-Healing Properties”发表在学术期刊Advanced Materials上。
文章亮点：
1. 以溶剂热法合成的富氮的MET-6为前驱体，通过梯度Fe3+掺杂与热解，制备出具有分级多孔结构和磁损耗单元（Fe纳米颗粒）的Fe@C纳米材料。这种结构不仅为电磁波提供了丰富的多次反射和散射路径，还通过介电-磁协同损耗机制，极大地增强了电磁波的吸收效率；
2. 在水凝胶基体中，引入FeCl3-单宁酸金属配位键与PVA/淀粉/乙二醇间形成的多重氢键，共同构建了双动态可逆交联网络。该网络赋予材料优异的拉伸性、韧性和快速自愈合能力；
3. 用水-乙二醇二元溶剂体系，有效降低了体系的冰点，使水凝胶在-60℃的极低温环境下仍不冻结，保证了其在严寒条件下的正常工作。
图1. Fe@C/TPS复合水凝胶的制备流程与多功能机制示意图
图2. 前驱体材料的微观表征和组成
图3. 复合水凝胶的机械和自修复性能
图4. 复合材料的电磁屏蔽性能及应用
图5. Fe@C/TPS-13-10%复合材料的传感性能
原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202516023
（核稿：黄文欢 编辑：赵诚）
校友
教工
学生