竹子变身新型电磁吸收材料 中外合作开发衍生物碳 将实现产业化应用

无线通讯技术的发展促进了社会进步，但其普遍使用也让人们长期暴露于电磁辐射之下。现在，电磁污染已连同土壤污染、空气污染和水污染一起成为全球四大污染问题。

迄今为止，科学家们已在高性能电磁吸收材料领域取得不少突破性进展。然而，由于电磁吸收材料多用在户外，难以避免环境、天气等带来的不利影响。如何设计出既具备出色电磁耗散能力又有良好环境适应性的电磁吸收材料，仍然是⼀个巨大的挑战。

近日，南京林业大学团队联合美国俄亥俄州立大学课题组、新加坡材料研究与工程研究所及美国密歇根大学安娜堡分校课题组合作，共同提出一种新型衍生物碳，其既能在酸碱环境中稳定发挥电磁吸收作用，又具有良好的疏水能力，为电磁吸收材料在户外场景的落地带来新的方向。

相关论文以《生物质衍生的碳异质结构可以实现环境自适应宽带电磁波吸收器》（Biomass-Derived Carbon Heterostructures Enable Environmentally Adaptive Wideband Electromagnetic Wave Absorbers）为题发表在 Nano-Micro Letters 上，南京林业大学材料科学与工程学院副教授娄志超担任第一作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nano-Micro Letters）

据了解，该团队所提出的碳异质结构新型衍生物碳，是通过对竹子中提取的石墨化木质纤维素进行分层组装设计而来。

随着所含纤维素和木质素的比例变化，这种碳异质结构从二维片状逐渐变为一维纳米纤维状，接着又开始自分解，共生形成片状。

在其结构的演变过程中，该新型衍生物碳不断分解亲水型含氧官能团，其碳基共价键由亲水型转变趋于稳定的疏水型，提高了自身的表面疏水性和抗酸碱能力，展现出良好的环境自适应性。

图 | 碳异质结构的演变（来源：Nano-Micro Letters）

研究表明，“在模拟真实环境的条件下，这种新型衍生物碳可持续进行宽带电磁吸收，其有效吸收频率范围达到 12.5GHz 至 16.7GHz，包括具有微酸性/碱性 pH 值的雨水环境。”

据悉，该研究立项时聚焦的是竹材及其化学提取物在高附加值等方面的竹产业瓶颈。

2020 年疫情一缓和，南京林业大学竹材工程研究中心团队就赴浙江、湖南、江西和福建四省考察当地竹材加工企业的情况，并与企业负责人和政府领导进行交流探讨，希望帮助解决这些企业在生产和销售中面临的实际问题。

娄志超谈到，“我们是全程自己开车进行调研的，粗略算了一下总路程三千多公里，该研究聚焦的问题也是在这一时期发现并通过一路的探讨总结出来的。”

图 | 娄志超（来源：娄志超）

在走访竹加工企业的过程中，研究人员发现，大量竹废料没有得到很好的利用。有的被焚烧，再以能源形式提供给工厂，但带来大量粉尘污染，碳排放也不达标；有的则被直接丢弃，对土壤和水资源都造成了污染。

他们认为，如果用高附加值的产业前景来推动下游企业收购竹废料，再对这些废料加以利用，就可以实现“全竹利用”，变废为宝。

从原材料方面来讲，竹渣废料易于获得，研究人员可通过苯磺酸水解法，高效生产出能够有效调控纤维素/木质素异质结构的木质纤维素纳米纤维。

图 | 木质纤维素纳米纤维的显微镜图像（来源：Nano-Micro Letters）

在与美国俄亥俄州立大学的吕华良研究员和王晓光教授等人沟通后，他们得出，碳基电磁波吸收剂的开发是缓解电磁污染的一个途径。‘

接着，研究人员立即想到，基于纤维素和木质素组成的生物质提取物，是否能够获得一种凝聚态和化学共价键高度可调的衍生碳基电磁吸收材料，这样既能解决日常生活中电磁污染的问题，又解决了竹废料高附加值利用的问题。

于是，他们确定了与美国俄亥俄州立大学课题组、新加坡材料研究与工程研究所及美国密歇根大学安娜堡分校课题组的合作关系，并得到了国家自然科学基金面上项目等资助。

娄志超介绍道，在该研究中，竹源木质纳米纤维素及其衍生碳的制备和性能调控策略设计，由他和南京林业大学的李延军教授、卞辉洋副教授来主导，而包括南京林业大学王秋怡博士在内的 4 位中外研究生主要负责材料制备和性能表征，美国和新加坡的课题团队主要给予电磁波吸收机理方面的支持。

经过一年半的共同努力，他们成功突破了技术瓶颈，得到了预期的研究成果。

图 | 新型衍生碳基电磁吸收材料在真实环境下的性能测试（来源：Nano-Micro Letters）

总体而言，这项研究共有两个亮点。一是，凭借纤维素和木质素组成的竹子提取物，带来一类结构与共价键高度可控的新型衍生碳基电磁吸收材料；二是，这种新型衍生碳基电磁吸收材料表现出优异的宽频电磁吸收性能、抗酸碱性及疏水能力。

目前，研究人员已为此研究成果申请了发明专利，并开始和企业洽谈产业化推广和应用方面的合作。

娄志超表示，该研究所带来的衍生碳基电磁吸收材料可以分散用于特殊功能建筑的饰面涂料，也可以用在精密仪器设备的包装材料表面，并可在电磁污染防治、防静电和信息安全等领域大展身手。

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娄志超简介：

娄志超副教授，全国创新创业优秀博士后称号（2021）获得者。入职南京林业大学以来，主要研究领域集中在生物质基复合材料领域，包括竹材改性和竹材加工、生物质复合材料开发和应用、新型隐身材料开发和应用等3个方面。

相关研究成果申请发明专利12件，已授权3件；申请实用新型专利15件，均已授权。2017年以来，共发表同行评审学术论文57篇，包括第一作者SCI论文18篇和通讯作者SCI论文11篇。其中，领域中高被引论文5篇，热点论文2篇，单篇最高被引用次数81次，H因子20。先后主持省部级及以上项目5项，包括国家自然科学1项，江苏省自然科学基金1项和国家林草局重点研发项目1项等。担任材料领域和化学领域等20余个期刊的审稿人，年均审稿30余篇。

自2019年起，以福建省科技特派员身份在福建省南平市开展多项竹材加工方面“产学研”合作，相关科技服务事迹和成果以“科特派创新技术 让竹质结构材料焕发新活力”为题，被东南网和建瓯新闻网报道。参与编写行业标准2件。参与中国林学会组织的科技成果鉴定2件，中国林产工业协会组织的新产品鉴定5件。获得行业一级协会科学技术奖一等奖1项（2021），第一届全国博士后创新创业大赛铜奖（2021）。

指导学生获得“第七届江苏省‘互联网＋’大学生创新创业大赛”三等奖，“第十七届挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛”省级三等奖以及“第三届全国林业草原行业创新创业大赛主赛道全国总决赛”优胜奖，并获得江苏省“十佳研究生团队”荣誉称号。

参考：
1.Lou, Z., Wang, Q., Kara, U.I. et al. Biomass-Derived Carbon Heterostructures Enable Environmentally Adaptive Wideband Electromagnetic Wave Absorbers. Nano-Micro Lett. 14, 11 (2022). https://doi.org/10.1007/s40820-021-00750-z